瀕海戰(zhàn)斗艦氣流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算研究

任孝宇， 郜哲明， 郜冶

(1.湖北航天技術(shù)研究院 總體設(shè)計(jì)所，湖北 武漢 430040； 2.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

為適應(yīng)近海領(lǐng)域的復(fù)雜環(huán)境，美國(guó)政府研究了一種區(qū)別于大型艦艇的高速、靈活、具備載機(jī)功能的中小型戰(zhàn)艦，命名為瀕海戰(zhàn)斗艦(littoral combat ship,LCS)。瀕海戰(zhàn)斗艦的艦體采用 穩(wěn)定性極強(qiáng)的三體結(jié)構(gòu)[1]，具備高達(dá)3 000 t以上滿載排水量的同時(shí)，其航速最大仍然可以達(dá)到50 kn，整體具備較高的平穩(wěn)性，瀕海戰(zhàn)斗艦的研究借鑒了包括我國(guó)的022型導(dǎo)彈快艇在內(nèi)的多款知名艦型[2]，以“獨(dú)立級(jí)”瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS-2)為例，艦艇上的寬闊甲板增高了離開水面的距離，有助于直升機(jī)的起降[3]，空氣尾流場(chǎng)中的上下洗氣流設(shè)計(jì)對(duì)直升機(jī)降落有著至關(guān)重要的影響。船體的形狀通常為不規(guī)則的鈍角形，船身的機(jī)庫(kù)、控制塔臺(tái)等結(jié)構(gòu)在艦船移動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)致后方艦載機(jī)起降平臺(tái)周圍的氣動(dòng)環(huán)境形成因擾動(dòng)造成的渦流現(xiàn)象[4]。針對(duì)LCS-2的尾流場(chǎng)，用fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，并與典型護(hù)衛(wèi)艦簡(jiǎn)化模型SFS2的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，研究LCS-2的空氣尾流場(chǎng)特性。

1 物理模型與數(shù)學(xué)描述

1.1 物理模型

瀕海戰(zhàn)斗艦分別由2家公司設(shè)計(jì)建造[5]，針對(duì)美國(guó)通用動(dòng)力公司設(shè)計(jì)的首艘采用三體結(jié)構(gòu)的 “獨(dú)立”號(hào)瀕海戰(zhàn)斗艦(LCS-2)開展仿真分析，模型原點(diǎn)選取為艦船起降平臺(tái)的中心點(diǎn)，船艉向船艏為X正方向，右舷向左舷為Y正方向，從海平面指向上方為Z正方向，LCS-2模型的機(jī)庫(kù)高度h=5.5 m，飛行甲板長(zhǎng)度l=44 m，飛行甲板寬度b=25 m，如圖1所示。

圖1 LCS-2模型Fig.1 Littoral combat ship(LCS-2) model

因SFS2有船艏[6]，與LCS-2的艦身結(jié)構(gòu)有相似之處，故對(duì)典型的帶有船艏的簡(jiǎn)化護(hù)衛(wèi)艦?zāi)Ｐ蚐FS2進(jìn)行仿真分析，模型原點(diǎn)選取為艦船起降平臺(tái)的中心點(diǎn)，船艉向船頭為X正方向，右舷向左舷為Y正方向，從海平面指向上方為Z正方向。

SFS2的仿真計(jì)算工況與文獻(xiàn)[7]中實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置相同，如圖2所示，其中SFS2 模型的機(jī)庫(kù)高度H=6.096 m，艦載機(jī)起降平臺(tái)長(zhǎng)度L=4.5H，寬度B=2.25H。

圖2 SFS2模型Fig.2 Simple frigate shape(SFS2) model

1.2 數(shù)學(xué)模型

不同的算例使用的湍流模型也不相同，針對(duì)艦船的低速尾流擾動(dòng)，使用RANS理論中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算，該湍流模型由Jones和Launder共同提出，基于Boussinesq假設(shè)，是一個(gè)來(lái)源于試驗(yàn)的半經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

(2)

式中：μt是湍動(dòng)粘度；Gk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，相關(guān)表達(dá)式為：

(3)

Gk=μtS2

(4)

一般條件下，模型的封閉系數(shù)的常用值為：

Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一種高雷諾數(shù)模型，通常用于計(jì)算完全湍流的流動(dòng)狀態(tài)，模型具有較好的計(jì)算精度和收斂性能，能滿足簡(jiǎn)單的湍流分析，基本可適用于管流、射流等常規(guī)湍流流動(dòng)，但該模型不建議用于低雷諾數(shù)，且對(duì)于復(fù)雜湍流的適應(yīng)性較差，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型用于文獻(xiàn)[8-9]的研究，且取得了良好的仿真數(shù)據(jù)。綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型可以應(yīng)用于艦船艉流場(chǎng)的仿真計(jì)算。

2 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格模型及邊界條件

使用CFD ICEM軟件處理模型網(wǎng)格，LCS-2的網(wǎng)格模型如圖3所示，網(wǎng)格數(shù)目403萬(wàn)，SFS2網(wǎng)格模型如圖4所示，網(wǎng)格數(shù)目321萬(wàn)。計(jì)算區(qū)域入口設(shè)置為速度入口，出口為壓力出口；其他邊界均設(shè)置為壁面。

仿真分析時(shí)需考慮船體周圍計(jì)算域具備流體充分?jǐn)U散的條件，為保證仿真的計(jì)算域大小合理，規(guī)定計(jì)算域邊界的長(zhǎng)、寬、高分別為21倍船長(zhǎng)、21倍船寬、4倍船高[10]，船體模型位于計(jì)算域底邊中心部位。

2.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

進(jìn)行仿真計(jì)算之前，需通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，以LCS-2船體甲板的中心標(biāo)注起降部位凈空度為該艦型核載的一艘CH-53軍用直升機(jī)凈高的O點(diǎn)作為參考點(diǎn)，該點(diǎn)的X、Y、Z三向坐標(biāo)分別為-22、0、7.6。通過(guò)改變網(wǎng)格數(shù)，得到相同邊界條件情況下O點(diǎn)Vy的變化趨勢(shì)，圖5為O點(diǎn)的空間部位示意圖。

選定的邊界條件為：

1)船艏前方為速度入口，船身所有面均為無(wú)滑移壁面，船艉后方為壓力出口；

2)入口速度角為0°，入口速度為30 kn(15.45 m/s)；

3)基于壓力的求解器；

4)k-ε湍流模型，SIMPLE算法。

圖3 LCS-2仿真計(jì)算網(wǎng)格Fig.3 Simulation mesh for LCS-2

圖4 SFS2仿真計(jì)算網(wǎng)格Fig.4 Simulation mesh for SFS2

圖5 CH-53的旋翼高度中心點(diǎn)Fig.5 The center of the helicopter wing of CH-53

計(jì)算工況的入口速度較低，可將計(jì)算域內(nèi)氣體近似處理為不可壓縮流體，用N-S方程組求解。

從圖6可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增大，O點(diǎn)的無(wú)量綱垂直方向速度波動(dòng)范圍逐漸縮小，網(wǎng)格數(shù)目大于82萬(wàn)后，計(jì)算得到的無(wú)量綱速度基本穩(wěn)定，綜合考慮仿真效率和經(jīng)濟(jì)成本，可以使用82萬(wàn)數(shù)目的網(wǎng)格對(duì)LCS-2艦船模型開展下一步仿真分析計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 典型位置速度曲線分析

為了分析LCS-2的艉流場(chǎng)特性，選取了艦船甲板周圍的幾個(gè)典型位置，如圖7所示，分別是高度為1倍機(jī)庫(kù)，長(zhǎng)度為1.5倍甲板長(zhǎng)度的X方向直線ls、高度為0.5倍機(jī)庫(kù)，在甲板長(zhǎng)度中心位置，長(zhǎng)度為2倍船寬的Y方向直線lb以及長(zhǎng)度方向分別取0.2和0.4倍船長(zhǎng)，高度為1.5倍機(jī)庫(kù)高度的Z方向直線lh-0.2和lh-0.4。整理其速度數(shù)據(jù)，做出2種船型的無(wú)量綱速度特征曲線。

圖8為甲板寬度方向(直線lb)與甲板長(zhǎng)度方向中點(diǎn)上方的速度分布情況對(duì)比圖，2種船型計(jì)算結(jié)果與SFS2風(fēng)洞試驗(yàn)[11]均顯示出了較好的對(duì)稱性，且速度變化的趨勢(shì)基本相同。SFS2的X方向速度受到比LCS-2更強(qiáng)的擾動(dòng)，在中軸線附近達(dá)到最強(qiáng)；SFS2基本在所有數(shù)據(jù)范圍內(nèi)具有比LCS-2更高的Y方向和Z方向速度，SFS2的Y方向速度最高達(dá)到0.09，同一位置LCS-2的速度僅有0.06左右，增幅達(dá)到了50%；兩者的Z方向速度在中軸線附近最為接近，而在左右兩側(cè)SFS2均具有更大的下洗速度，增幅最大超過(guò)80%，出現(xiàn)在y/b=0.25附近位置。

圖6 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.6 Verification of the mesh independence

圖7 特征直線選取位置Fig.7 Location of measuring line

直升機(jī)在甲板上起飛時(shí)主要受到的是下洗氣流的影響[12-14]，圖9是2種船型在不同位置的下洗速度對(duì)比曲線，分別取距離機(jī)庫(kù)底部0.2和0.4倍甲板長(zhǎng)度的位置。如圖9(a)所示，LCS-2在1h以上的高度范圍內(nèi)具有相對(duì)SFS2更高的下洗速度(斜向機(jī)庫(kù)門導(dǎo)致提前)；如圖9(b)所示，LCS-2在1h以下的高度范圍內(nèi)的下洗速度比SFS2更低，差值最大達(dá)到50%，出現(xiàn)在z/h=0.675附近位置。

圖10是2種艦船模型與SFS2的風(fēng)洞試驗(yàn)在垂直于甲板中心線(直線ls)的下洗速度對(duì)比曲線，由圖可以看到，在甲板長(zhǎng)度范圍內(nèi)，SFS2始終具有比LCS更高的下洗速度，兩者的下洗速度最大差值出現(xiàn)在0.375 1位置，SFS2的速度增幅達(dá)到80%。而在甲板之后的范圍內(nèi)，LCS-2的下洗速度略大于SFS2，較好地規(guī)避了甲板平面上直升機(jī)起降的下洗氣流干擾問(wèn)題。

3.2 尾流場(chǎng)速度云圖分析

因?yàn)長(zhǎng)CS-2的艦載機(jī)主要是垂直起降直升機(jī)，其主要在甲板的中心位置進(jìn)行起降任務(wù)，在飛行甲板上X方向選取x/l=0.5截面，重點(diǎn)分析該截面上的速度特性對(duì)直升機(jī)起降的影響。

圖8 lb各方向速度比較Fig.8 Comparison of three velocity component on lb

從圖11可以看出，SFS2在截面處呈現(xiàn)出Y速度的方向改變，表示該截面上存在橫向的氣流擾動(dòng)，Y速度最大值達(dá)到2 m/s；LCS-2的Y速度則是按比較標(biāo)準(zhǔn)的左右對(duì)稱情況分布，Y速度最大值為0.8 m/s，相對(duì)SFS2減小了60%。

從Z方向速度云圖可以看出，2種船型在截面的最大下洗速度都為1.6 m/s，最大上洗速度都為0.5 m/s，且速度分布都是呈兩邊對(duì)稱分布。SFS2的下洗速度區(qū)寬度接近甲板寬度的90%，而LCS-2下洗速度區(qū)寬度僅為35%。SFS2的上洗速度和下洗速度分布較近，存在明顯的互相擾動(dòng)，而LCS-2的2類速度區(qū)劃分清晰，有較寬的邊界。

圖9 lh-0.2和lh-0.4下洗速度比較Fig.9 Downwash velocity on lh-0.2 and lh-0.4

圖10 ls下洗速度比較Fig.10 Comparison of downwash velocity on ls

3.3 艉流場(chǎng)流線圖分析

SFS2風(fēng)洞試驗(yàn)[9]測(cè)得的回流區(qū)長(zhǎng)度為1.75H，由圖12(a)的艉流場(chǎng)流線圖可知，SFS2的回流區(qū)長(zhǎng)度1.81H，與風(fēng)洞試驗(yàn)存在3%的誤差?；亓鲄^(qū)長(zhǎng)度為整體甲板長(zhǎng)度的40.1%。

LCS-2無(wú)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從圖12(b)可看出回流區(qū)的長(zhǎng)度為1.733h?；亓鲄^(qū)長(zhǎng)度為整體甲板長(zhǎng)度的21.7%。LCS-2的回流區(qū)長(zhǎng)度相對(duì)SFS2的更短，有利于艦載機(jī)的降落。

目前只能定性得到傾斜機(jī)庫(kù)門對(duì)艉流場(chǎng)的擾動(dòng)存在一種抑制作用，有利于直升機(jī)的起降任務(wù)。具體隨傾斜角度變化大小而帶來(lái)的定量分析，還需繼續(xù)做深入的探討與研究。

圖11 x/l=0.5豎直截面速度對(duì)比Fig.11 Velocity cloud on the cross-section， x/l=0.5

圖12 中縱面流線Fig.12 Streamline chart of centerline

4 結(jié)論

1)在甲板長(zhǎng)度中點(diǎn)位置的寬度方向，LCS-2比SFS2所受到的X方向氣流擾動(dòng)較??；兩者的下洗氣流速度最大差值出現(xiàn)在左右0.25倍船寬位置，SFS2的下洗氣流速度比LCS-2的大80%；

2)在甲板長(zhǎng)度方向，LCS-2的下洗速度始終比SFS2的更小，最大差值出現(xiàn)在0.375倍船長(zhǎng)位置，SFS2的下洗速度比LCS-2的大80%；

3)在甲板長(zhǎng)度中點(diǎn)位置的x2截面，LCS-2的Y方向速度比SFS2的小60%；SFS2下洗速度區(qū)寬度為其甲板寬度的90%，而LCS-2僅為35%；

4)受傾斜機(jī)庫(kù)門的影響，LCS-2的下洗速度區(qū)高度相對(duì)SFS2較低，長(zhǎng)度較長(zhǎng)；

5)LCS-2的縱向回流區(qū)長(zhǎng)度為甲板長(zhǎng)度的21.7%，SFS2的回流區(qū)長(zhǎng)度則為甲板長(zhǎng)度的 40.1%；在艦船艉流場(chǎng)的大部分區(qū)域，LCS-2具有明顯低于SFS2的下洗氣流速度和橫向氣流擾動(dòng)程度。