艦船繞流流場的數(shù)值模擬

楊思帆 梁仍康 邢苗苗 宋筱然 張偉

摘要：開展艦船繞流流場研究對認(rèn)識艦載直升機起降過程中面臨的氣流環(huán)境具有重要意義。采用CFD方法對艦船航行過程中 0° 風(fēng)向角10 m/s和20 m/s來流風(fēng)速情況下艦船周圍流場進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：艦船上層建筑導(dǎo)致后端氣流有明顯紊亂但對著艦甲板的氣流干擾程度較??；不同來流風(fēng)速情況下流動變化規(guī)律大致相同；受機庫影響，形成的下沖氣流及其沖擊到甲板在機庫附近形成的低速回流區(qū)是艦載直升機進(jìn)行起降任務(wù)所面臨的主要問題。研究結(jié)果對艦船設(shè)計及艦載直升機安全快速起降具有參考價值。

關(guān)鍵詞：艦船 艦載直升機 繞流流場 數(shù)值模擬

中圖分類號：O354;U674.7+01文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671-8755（2023）03-0098-07

Numerical Simulation of Flow Field around Ships

YANG Sifan， LIANG Rengkang， XING Miaomiao， SONG Xiaoran， ZHANG Wei

（School of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and

Technology， Mianyang 621010， Sichuan， China）

Abstract：? Conducting research on the flow field around ships is of great significance for understanding the airflow environment faced by shipborne helicopter during takeoff and landing. The numerical simulation of the flow field around a ship was carried out using the CFD method under the conditions of wind direction angle of 0° and incoming wind speeds of 10 m/s and 20 m/s during navigation. The results indicate that the superstructure of the ship causes significant turbulence in the aft flow， but the degree of airflow interference towards the deck is relatively small. The flow pattern is roughly the same under different incoming wind speeds. The downwash flow generated by the hangar and the low-speed flow area formed near the deck due to the impact of the downwash flow around the hangar are the main problems faced by the shipborne helicopter during takeoff and landing tasks. The research results have reference value for ship design and safe and fast takeoff and landing of shipborne helicopters.

Keywords：? Naval vessel; Shipborne helicopter; Flow field; Numerical simulation

為保障國家安全與發(fā)展，海防能力提升迫在眉睫。開展艦船在不同海況條件下的甲板尾流場研究，有助于認(rèn)識艦載直升機起降過程中面臨的氣流環(huán)境，尤其是艦船尾部直升機飛行甲板在不同海況條件下的流場環(huán)境影響艦載直升機起降的安全性。關(guān)于艦船流場的研究主要有兩種方法：實驗分析及數(shù)值計算。實驗分析方法主要包括縮比模型的風(fēng)洞試驗和實船測量，數(shù)值計算方法主要是基于CFD方法的數(shù)值模擬。

在實船測量方面，我國起步較晚。20世紀(jì)90年代，任榮生等［1］在車載艦船模型的尾流場測量中應(yīng)用三絲熱線探頭對處于不同風(fēng)向角下的尾流場特性進(jìn)行了研究。Brownell等［2］在YP676艦船流場布置三分量風(fēng)速儀進(jìn)行實船測量，在0°? 和15°? 風(fēng)向角的情況下得到飛行甲板上部流場的速度和雷諾應(yīng)力，為艦船尾流場數(shù)值模擬研究提供了驗證數(shù)據(jù)，同時也為駕駛員的飛行模擬提供了依據(jù)。顧松蘊等［3］和陸偉［4］使用PIV技術(shù)、七孔探針和染色液流動顯示技術(shù)對艦船三維尾流場進(jìn)行測量，不僅證實了流動分離和下洗流受到不同流動控制技術(shù)的抑制，還對直升機著艦過程中的氣動力變化和旋翼流場進(jìn)行了研究。在風(fēng)洞試驗方面，劉航等［5］通過對某艦船模型的風(fēng)洞試驗、流譜試驗和地面模擬試驗，得到了較為全面的艦船尾流場特性，并對等速度場、著艦區(qū)域截面流線和機庫后方脫體渦進(jìn)行了分析。Cheney［6］和Zan［7］利用油膜成像的方法對縮尺比為1∶60的SFS艦船模型進(jìn)行了平均表面的流場測量，采用煙霧示蹤方法使離體流動做到可視化;采用熱線風(fēng)速儀對縮尺比為1∶100的SFS2艦船模型的流場進(jìn)行了研究，測得了由上層建筑到飛行甲板一系列的湍流統(tǒng)計值和平均速度，得到了速度譜。

在數(shù)值模擬研究方面，孫文勝［8-9］利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和有限元法對艦船尾流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，針對艦船著艦區(qū)域的流場特點，明確了尾流場的流場特性對飛行安全的重要性。馬鴻儒等［10］通過對CFD技術(shù)在艦船流場的發(fā)展歷程分析后指出，DES模型在艦船流場數(shù)值模擬方面擁有巨大潛力。賀少華等［11］研究了不同空間離散格式對艦船尾流場數(shù)值模擬結(jié)果的影響，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和SIMPLE算法兩種方式得出艦船尾流場的數(shù)值模擬研究中二階迎風(fēng)格式更加有效。Syms［12］對SFS1和SFS2艦船均采用格子玻爾茲曼方法對它們的流場做出了較為準(zhǔn)確的預(yù)測。Zhang等［13］使用Cobalt求解器對基于Gridgen非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的時間做了較為精確的模擬，捕捉到了艦船周圍分離的大渦，研究結(jié)果表明Cobalt求解器基本可以滿足機艦耦合問題的研究要求。黃剛等［14］研究了艦載直升機在著艦時與靜止艦船的相互干擾，結(jié)果表明旋翼受到艦面效應(yīng)和機庫的陡壁干擾后拉力系數(shù)會有不同的變化。

對艦船甲板的氣流，根據(jù)實船測量、風(fēng)洞試驗、數(shù)值模擬的一系列研究證實了甲板氣流對艦載直升機的影響是巨大的，同時也論證了數(shù)值模擬方法在研究中具有成本低、周期短、可信度高的優(yōu)點。本文通過數(shù)值模擬方法對052D驅(qū)逐艦的艦船繞流情況進(jìn)行研究，以期為艦載直升機的安全起降提供合理建議。

1計算模型及網(wǎng)格劃分

1.1艦船模型

052D型驅(qū)逐艦（Type 052D destroyer）是我國自主研發(fā)的導(dǎo)彈驅(qū)逐艦。目前，關(guān)于052D型驅(qū)逐艦繞流流場的公開數(shù)據(jù)并不多見。本文構(gòu)建了052D驅(qū)逐艦的三維模型，基于CFD方法開展艦船尾流場數(shù)值模擬研究。利用軟件Unigraphics NX（UG）進(jìn)行簡化建模。模型尺寸為艦寬17.5 m、艦長156 m、艦高27 m。三維建模選擇 0°? 風(fēng)向角來流方向為X軸正方向，船高為Z軸正方向，艦船右側(cè)為Y軸正方向，艦船底部前緣尖點為原點。052D艦船模型示意圖如圖1所示。

1.2網(wǎng)格劃分

艦船外部計算域設(shè)置的長為1 056 m、寬為416 m、高為127 m，如圖2所示。艦船體積占比為計算域的0.13%。采用Fluent Meshing軟件對艦船進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對艦面部分進(jìn)行邊界層加密，保證邊界層一致的前提下改變總體網(wǎng)格數(shù)約為136萬，203萬和306萬，如圖3所示，對艦船甲板Y=0 m截面X方向甲板上方2 m處的速度進(jìn)行對比， 203萬網(wǎng)格結(jié)果與136萬結(jié)果相比，數(shù)值大小和起伏趨勢均更加靠近306萬網(wǎng)格結(jié)果，選擇203萬的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行計算能夠在保證一定精度的條件下節(jié)省計算資源。艦船表面網(wǎng)格如圖4所示，邊界層網(wǎng)格如圖5所示。

2數(shù)值計算方法

為了更真實模擬艦船在海上的航行情況，對真實海況進(jìn)行了調(diào)研。國際上通用“節(jié)（knot）”來描述海上航行速度， 1 kn=1 n mile/h=1.852 km/h，052D驅(qū)逐艦最大航行速度為32節(jié)，約為16? m/s，考慮日常海風(fēng)速度，本文選擇風(fēng)向角為0°，風(fēng)速為10 m/s和20 m/s的不同工況進(jìn)行研究。

2.1流體控制方程

質(zhì)量守恒方程在流體力學(xué)中用流體微團(tuán)來分析流場［15］，利用質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)連續(xù)性方程的微分形式，流體微團(tuán)內(nèi)的質(zhì)量保持不變。本文流動情況為定常不可壓縮流動，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

·V=0（1）

由動量守恒定律表達(dá)，微分形式的動量方程為：

·（ρVV）=-p+ρf+·τ（2）

式中：V為速度；p為壓強；ρ為密度；f為徹體力；τ為黏性應(yīng)力。

2.2計算方法和邊界條件

計算域流體為空氣，密度為1.225 kg·m-3，黏度為1.789 4×10-5 kg·m-1·s-1。將艦船前方設(shè)置為速度進(jìn)口（velocity-inlet）、艦船后方設(shè)置為壓力出口（pressure-outlet）總壓為0 Pa、艦船下方設(shè)置為滑移壁面（wall）、船體設(shè)置為無滑移壁面（wall）、左右邊界和艦船上方均為壁面（wall），參考壓強為101 325 Pa。采用壓力基穩(wěn)態(tài)求解器，湍流模型為SST的 k-ω 模型，壓力速度耦合求解采用Coupled算法，空間離散格式均采用二階迎風(fēng)格式，殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-5。

3結(jié)果分析

3.1流場云圖

圖6給出了艦船受到0° 風(fēng)向角下10 m/s風(fēng)速的靜壓云圖。從圖6可以看出，艦船前端的迎風(fēng)面受到的壓力最大，尾部甲板后沿存在部分高壓區(qū)域，受到上層建筑的影響，上游機庫左側(cè)尖角處壓力偏大，右側(cè)尖角處壓力偏小。

圖7給出了艦船在10 m/s風(fēng)速下艦船縱向?qū)ΨQ截面處的速度流線圖和動壓分布圖。從圖7可知，受艦船上層建筑物的干擾，艦船建筑物后的流場較為混亂，且速度較低，未對著艦甲板流場造成影響。受機庫臺階影響，出現(xiàn)了明顯的氣流剪切層帶動甲板內(nèi)側(cè)氣流的運動，導(dǎo)致了低速回流區(qū)的出現(xiàn)。在機庫上方和甲板后部動壓較大，此時的速度較快，此處作業(yè)的直升機可能受到較大的沖擊速度，對直升機的平穩(wěn)飛行造成影響。

圖8和圖9分別為10 m/s和20 m/s艦船尾部著艦甲板處的截面速度云圖，兩側(cè)氣流基本呈對稱分布，上部下沖氣流主要沖擊在甲板中心，導(dǎo)致低速區(qū)域主要集中于此，在甲板尾部后段未受到下沖氣流影響，低速區(qū)域消失，艦船尾流底部受到甲板下沖的尾流和艦船側(cè)面流過的空氣疊加形成左右兩個漩渦。

3.2監(jiān)測線數(shù)據(jù)

為精確監(jiān)測甲板上方的速度分布，在艦船甲板上方設(shè)置了15根監(jiān)測線，測線布置如圖10所示。選擇從機庫位置開始到甲板末端結(jié)束，Y向3種距離分別為 -4.375 m，0 m和 +4.375 m，沿Z向間隔1 m 由下至上的監(jiān)測線編號為line-1，line-2，…line-5。最終得到 0° 風(fēng)向角下10，20 m/s兩種工況下不同截面位置的速度分布圖（圖11-圖16）。

由圖12可知，在靠近機庫處存在速度波動，除了高度最高的line-5以外，高度越低，速度變化幅度越大，在遠(yuǎn)離機庫處高度越低，速度越低。高度最高的Line-5在靠近機庫位置處速度也較高。Line-1和Line-5所導(dǎo)致的速度較高原因不一致，Line-1是由于下沖氣流在甲板上分散，機庫位置產(chǎn)生回流；Line-5是由于兩側(cè)機庫高度較低，此處靠近機庫上部的剪切氣流。圖11和圖13分別對應(yīng)了艦船甲板的左舷和右舷，左右兩側(cè)的速度分布不具有對稱性，流動狀態(tài)應(yīng)為瞬時狀態(tài)，左舷在靠近甲板處速度變化比右舷變化更加劇烈。由圖14和圖16可知，20 m/s的工況下左舷和右舷截面分布與10 m/s時的變化趨勢大致相同，左舷變化幅度比10 m/s工況的變化幅度略小。圖15和圖12的變化基本一致，距離機庫越近，速度變化越劇烈，且距離甲板越近，速度變化幅度越大。由圖11-圖16可知，在相同的離庫距離下，高度越高速度越高，受到機庫和甲板的影響越小。

綜上所述，導(dǎo)致氣流變化的主要原因是氣流受機庫和甲板的壁面干擾。氣流流經(jīng)機庫時甲板近機庫位置的動壓小于上方氣流的動壓，帶動機庫角落氣流向上運動形成漩渦，而后順著上方主氣流繼續(xù)向后流動沖擊到甲板上向四周分散。兩種風(fēng)速條件下的速度變化均和距離機庫的距離和距離甲板的高度有關(guān)，距離機庫越遠(yuǎn)、距離甲板越高，速度受到的干擾程度越低。

3.3艦船三維流線

圖17-圖19是0° 風(fēng)向角20 m/s風(fēng)速下艦首的三維流線圖、上層建筑三維流線圖和艦尾三維流線圖。

從圖17可知，艦船正面來流流經(jīng)前方臺階面發(fā)生氣流分離，導(dǎo)致在臺階上部形成一圈環(huán)流區(qū)，之后向四周流動擴散。從圖18可知，受艦船上層建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜的影響出現(xiàn)大量復(fù)雜的漩渦，且大多速度較低。從圖19可知，上層建筑形成的漩渦并未對著艦甲板氣流造成影響，甲板位置的漩渦主要由機庫上部的剪切層所帶動。

4結(jié)論

對052D驅(qū)逐艦在0° 風(fēng)向角10 m/s和20 m/s風(fēng)速下艦船繞流流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到以下結(jié)論：（1）由于艦首部分和上層建筑都是鈍體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致氣流極易與附著面脫離形成漩渦。（2）艦尾部分的流場主要受機庫高度的影響，較高的機庫高度導(dǎo)致后方的氣流流速整體降低，但回流區(qū)速度變化不大。（3）艦船繞流問題是非定常問題，采用定常算法求解只能得到大致的趨勢變化。（4）在不同來流風(fēng)速條件下，機庫后方的速度分布規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為甲板縱向?qū)ΨQ面整體速度較低，兩側(cè)速度較高。（5）艦船尾部氣流主要由機庫上方的下沖氣流和機庫后方的低速回流區(qū)組成，且基本不受艦船前方的上層建筑影響，兩個主要氣流是艦載直升機起降需要面臨的主要問題。

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