正向風(fēng)下航母甲板風(fēng)渦流場的模擬研究?

（海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院 煙臺 264001）

1 引言

與大型驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦等相比，航空母艦、大型登陸艦雖然其艦島相對艦船本身而言體積較小，但是由于其整體個體較為龐大，因而在航空母艦、大型登陸艦等艦船的飛行甲板上方，大氣繞流會產(chǎn)生比較復(fù)雜的渦流，這些大氣繞流的存在會對直升機(jī)等旋翼飛行器的起飛與著艦產(chǎn)生很大影響[1]。

由于航空母艦、大型登陸艦為艏艉直通甲板，其甲板風(fēng)（WOD，Wind Over Deck）特征與驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦的存在著一定的差異[2]，需要進(jìn)行研究。

在傳統(tǒng)的風(fēng)洞模型試驗中存在主要的問題[3]：一是在風(fēng)洞模型試驗中，由于艦船模型至少縮小100倍，因此難以建立相似雷諾數(shù)的流動條件；二是由于在實際中艦船風(fēng)繞流場非穩(wěn)態(tài)性很強(qiáng)，對于全尺寸艦船來說，其風(fēng)擾動頻率會遠(yuǎn)大于艦船模型的擾動頻率，因此傳統(tǒng)的風(fēng)洞模型試驗中不能真實正確地反映艦船甲板風(fēng)的瞬間特性，本文擬采用計算量和信息量均滿足研究要求的大渦數(shù)值模擬方法[4～5]。

在利用冷態(tài)不可壓縮流動的N-S方程來實現(xiàn)大氣繞流的模擬的過程中，需要對壓強(qiáng)與速度的耦合進(jìn)行求解，這個求解過程是處理的難點，會占據(jù)許多的計算時間，尤其對航空母艦、大型登陸艦等大型平臺的大氣繞流問題，會相應(yīng)增加難以承受的計算量，并且難以達(dá)到模擬計算精度要求[6]。

針對正向來風(fēng)條件下航空母艦甲板風(fēng)的渦流場特點，本文在Rehm等[7]的研究基礎(chǔ)上，利用低速氣流運動控制方程組和Deardorff動力學(xué)亞格子模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

2 模擬方程組構(gòu)建

大氣繞流艦船產(chǎn)生比較復(fù)雜的渦流的問題，是一個典型的空氣在低速條件下的流動問題。由于在直升機(jī)起降實際的操作過程中，航空母艦相對風(fēng)速一般很少超過25m/s，而音速一般取340m/s，因此這種低速空氣流動符合低馬赫數(shù)假設(shè)條件[6]，在低馬赫數(shù)假設(shè)中，一般是將氣流壓強(qiáng)分解為背景壓強(qiáng)和速度誘導(dǎo)壓強(qiáng)之和：

而在實際中還需考慮大氣分層的問題，大氣壓強(qiáng)和溫度會隨高度變化而變化，這種變化分別為

式中：T∞為海面處大氣溫度，p∞為海平面處大氣壓強(qiáng)，Γ為大氣溫度變化率。

大氣的背景壓強(qiáng)應(yīng)滿足理想氣體狀態(tài)方程：

在上述低馬赫數(shù)假設(shè)條件下，利用冷態(tài)氣體低速流動過程的湍流瞬時控制方程組來描述航空母艦的大氣繞流問題，得到模擬的方程組為

在對控制方程組計算時，并不是對上面的方程組進(jìn)行直接求解，而是先將代入，將上面方程組中的方程（6）和（7）分別變化為

而對于亞格子湍流應(yīng)力以及熱流通量這兩個因子的模擬問題，在這里就要用到Deardorff亞格子模型[8]和 渦 擴(kuò) 散 模型[9]，并 且需 要 結(jié) 合 Werner-Wengle壁模型對模擬計算過程進(jìn)行近壁區(qū)修正[10]，從而得到模擬結(jié)果。

在計算過程中，需要對上面的控制方程組在交錯網(wǎng)格系中進(jìn)行離散，在時間上、空間上、對流項和擴(kuò)散項上，分別采用顯式的二階精度的預(yù)測-校正格式、二階精度的差分格式、基于Superbee通量限制器的TVD格式、中心差分格式。

3 模擬仿真參數(shù)假設(shè)

為了計算方便，本文采用一個長度為600.0m、寬度為300.0m、高度為100.0m的計算域模型（圖1所示）。將航空母艦?zāi)Ｐ头胖糜诖怪睂ΨQ面上，此時y=0。航空母艦的甲板前沿位于域入口80.0m處的位置。根據(jù)實際情況，設(shè)定航空母艦?zāi)Ｐ偷募装宓拈L、寬、距離水面高度分別為340.0m、78.0m、20.0m，用一個長、寬、高為20.0m、12.0m、20.0m的立方體來代替航空母艦?zāi)Ｐ偷呐瀺u，立方體的中心到甲板的前沿為206.0m。

在仿真計算過程中，為了方便簡化，在暫不考慮海浪以及艦船搖擺的影響條件下，將海面設(shè)定為水平的固體壁面，以給定速度的風(fēng)，從計算域入口（x=0）吹入，計算域的出口和垂直側(cè)面采用自由邊界，計算域的上表面則采用滑移邊界。

圖1 航空母艦仿真模型與計算區(qū)域示意圖

在計算域的開口表面上，對于法向速度分量來說，如果指向域外，則各變量取為自由邊界面條件；如果指向域內(nèi)，則各變量取為外界環(huán)境空氣的參數(shù)。在模擬仿真過程中，必須要考慮進(jìn)口處的各種擾動，因此對速度邊界條件需要加上隨機(jī)噪聲（取均勻分布）。

利用大渦模擬軟件 FDS6.1[11～12]進(jìn)行仿真模擬計算，按照均勻網(wǎng)格將計算域在各坐標(biāo)各個方向上進(jìn)行劃分，網(wǎng)格的結(jié)點數(shù)目600×300×100；取大氣溫度為20℃，Γ為-0.005K/m；給定風(fēng)速15m/s；計算時間取為100.0s，時間步長由CFL數(shù)確定。

4 模擬仿真分析

理論研究表明在航母的艦載直升機(jī)著艦時，受較高空間風(fēng)影響較大。為了分析高空間風(fēng)影響的特點，首先需要在正向來風(fēng)情況下，研究距艦艏不同距離位置處壓強(qiáng)隨著時間的變化規(guī)律，圖2中給出了對稱面y=0上、甲板以上高度z=5m、距艦艏不同距離位置處壓強(qiáng)隨著時間變化規(guī)律。

從仿真計算結(jié)果來看，當(dāng)時間到達(dá)80s以后，整個模擬過程達(dá)到了時均穩(wěn)定。由仿真結(jié)果可以看出，沿著航母艏艉線、距離艦艏5m和120m、甲板上方5m位置處的壓強(qiáng)隨著時間變化的規(guī)律基本一致，但是在距離艦艏220m和320m的位置時，盡管高度認(rèn)為5m，壓強(qiáng)隨著時間變化卻有所不同，220m和320m處的時均值較艦艏的低，而前一點壓強(qiáng)變化的周期與艦艏的接近，而后一點壓強(qiáng)變化的周期相比艦艏的有所增加。注意：距艦艏220m的點與艦島基本平齊，而距艦艏320m的點離艦艉25m。由此說明，越靠近艦艉，甲板上方渦流場壓強(qiáng)的變化幅度越大，靠近艦艉區(qū)域每隔一段時間，出現(xiàn)與艦艏部分周期接近的壓強(qiáng)平穩(wěn)變化，然后又出現(xiàn)一段變化幅度較大、周期較長的劇烈壓強(qiáng)變化。

圖2 正向來風(fēng)條件下航母甲板上方不同位置處壓強(qiáng)隨著時間變化的模擬結(jié)果

圖3給出是：當(dāng)甲板風(fēng)達(dá)到時均穩(wěn)定（t=80s～100s）時，在甲板上方區(qū)域內(nèi)，距艦艏不同距離垂直截面上的時均速度分布模擬仿真。圖3（a）、（b）和（c）位于艦島前，由該三幅圖可以看出，在航母甲板前面部分，在兩舷處誘導(dǎo)出了兩個渦，距艦艏越遠(yuǎn)，這兩個渦的強(qiáng)度越小。圖3（d）、（e）和（f）位于艦島之后，由這三幅圖看出，左舷處的渦已經(jīng)衰減到非常弱，而在右舷附近，航母艦島和艦身的綜合作用，誘導(dǎo)出了一個又高又大的渦，并在渦右側(cè)產(chǎn)生了非常明顯的下洗速度區(qū)域，距艦艉越近，該渦的強(qiáng)度和下洗速度越小。

為了分析渦流場對甲板上方速度分布的影響，圖4給出是：當(dāng)甲板風(fēng)達(dá)到時均穩(wěn)定（t=80s～100s）時，航母艏艉線附近甲板上方的時均速度分布仿真。由圖4（a）和（b）看出，在靠近艦艏的甲板中心區(qū)域上方，流場的時均速度分布雜亂無章，沒有一個固定的流動趨勢，越靠近艦艏，上層區(qū)域的上升氣流越明顯。而由圖4（c）則看出，在這一截面上，時均速度分布具有了一定的趨勢，即風(fēng)由右舷向左舷流動，并在右舷側(cè)產(chǎn)生了較大的上升氣流，該截面距離艦島僅20m，這可能是氣流在艦島上發(fā)射引起的。圖4（d）為艦島后4m處的時均速度分布，在甲板左側(cè)區(qū)域，氣流具有向左流動的趨勢，這說明是由上游氣流具有較大的右向左運動的慣性決定的；而在右側(cè)區(qū)域，氣流則具有向上、向右運動的趨勢，這是艦島繞流尾部低壓區(qū)誘導(dǎo)產(chǎn)生的。到了x=350m和x=400m截面處，由于艦島繞流尾部低壓區(qū)誘導(dǎo)作用，在圖示整個區(qū)域內(nèi)，整體上氣流具有了由左向右運動的趨勢，并且右側(cè)的上升速度明顯地超過了左側(cè)。

圖3 甲板風(fēng)時均穩(wěn)定后，距艦艏不同距離垂直截面上時均速度分布

圖4 甲板風(fēng)時均穩(wěn)定后，距艦艏不同距離垂直截面上時均速度分布

圖5給出是：當(dāng)甲板風(fēng)達(dá)到時均穩(wěn)定（t=80s～100s）時，分別在航母甲板后方x=450m、x=500m處垂直截面上的時均速度分布模擬仿真。從該圖看出，在這些截面上存在著6個渦，航母艏艉對稱面附近3個，左側(cè)區(qū)域1個，右側(cè)區(qū)域2個（上下分布），它們之所以不對沉分布，是因為航母幾何尺寸不對稱造成的。艏艉對稱面附近這3個渦高度較低，對直升機(jī)起降影響不大；而另外3個渦則有較大的影響。比較起來，左側(cè)僅有一個渦，顯然流場更為平緩。

5 結(jié)語

本文在低馬赫數(shù)氣流條件下，依據(jù)運動控制方程組，利用湍流大渦模擬方法，對航母甲板風(fēng)渦流場在正向來風(fēng)時的特點進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論。

1）航母甲板的前部上方壓強(qiáng)隨著時間變化的規(guī)律（時均值大小、變化幅度與周期）基本一致；后部甲板上方壓強(qiáng)隨著時間變化有所不同，盡管其時均值接近，但離艦艉越近，壓強(qiáng)變化幅度與周期越大。

圖5 航母后方垂直截面上的時均速度分布

2）靠近艦艉區(qū)域，每隔一段時間出現(xiàn)與艦艏部分周期接近的壓強(qiáng)平穩(wěn)變化，然后出現(xiàn)一段變化幅度較大、周期較長的劇烈壓強(qiáng)變化。

3）前部甲板左右兩舷誘導(dǎo)出了兩個渦，距艦艏越遠(yuǎn)，渦的強(qiáng)度越小。后部甲板左舷處的渦非常弱，右舷則產(chǎn)生了一個又高又大的渦，并在渦右側(cè)產(chǎn)生了非常明顯的下洗速度區(qū)域，距艦艉越近，該渦的強(qiáng)度和下洗速度越小。

4）在艦后橫向垂直截面上存在著6個渦，艏艉對稱面附近3個，左側(cè)區(qū)域1個，右側(cè)區(qū)域2個（上下分布）。艏艉對稱面附近這3個渦高度較低，對直升機(jī)起降影響不大；而另外3個渦高度較大，會有較大的影響。比較起來，左側(cè)僅有一個渦，顯然此區(qū)域流場較為平緩。