袁書生　趙元立　粘松雷

(海軍航空工程學(xué)院　煙臺　264001)

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不同風(fēng)速對水面艦船風(fēng)尾流影響的大渦模擬*

袁書生趙元立粘松雷

(海軍航空工程學(xué)院煙臺264001)

摘要采用低速氣流運(yùn)動控制方程組和湍流大渦模擬方法，研究了不同來風(fēng)速度對水面艦船風(fēng)尾流的影響，得到了不同來風(fēng)速度條件下飛行甲板上方及艦船后方某些點(diǎn)處壓力和垂向速度隨時(shí)間的變化關(guān)系及三個(gè)典型平面上的時(shí)均表壓力和垂向速度的分布。結(jié)果表明，正向來風(fēng)條件下，隨著風(fēng)速增加，甲板上方空間內(nèi)的湍動能增加顯著;風(fēng)尾流中間歇性出現(xiàn)顯著湍動能的時(shí)間間隔，隨著風(fēng)速增加有所減小。飛行甲板上方和艦尾流中出現(xiàn)的下洗氣流區(qū)域?qū)挾?、長度和高度，受風(fēng)速大小影響不大。飛行甲板區(qū)域上方形成的正壓區(qū)和壓力值，隨著風(fēng)速增大而增加。

關(guān)鍵詞水面艦船; 風(fēng)尾流; 大渦模擬

Class NumberTP391

1引言

大氣繞流水面艦船將誘導(dǎo)出復(fù)雜的風(fēng)尾流結(jié)構(gòu)，由于流場中形成了剪切層和尺寸與直升機(jī)主旋翼直徑相當(dāng)?shù)臏u結(jié)構(gòu)，風(fēng)尾流在旋翼和機(jī)身上將產(chǎn)生脈動的力和力矩，非穩(wěn)定的風(fēng)尾流將引起直升機(jī)姿態(tài)，水平、垂直位置和航向的變化，這迫使駕駛員必須不斷地操作駕駛桿，以確保直升機(jī)保持在飛行甲板上方的位置。前人研究表明，在飛行甲板區(qū)域流場中，以0.2Hz～2Hz頻率出現(xiàn)顯著的湍流能量，在直升機(jī)起降時(shí)作用在包含駕駛員的閉環(huán)系統(tǒng)中[1～2]，這意味著將大大加劇了駕駛員的工作負(fù)荷[3]，顯著地增大直升機(jī)起飛與著艦的難度，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致著艦失敗。

關(guān)于水面艦船的風(fēng)尾流效應(yīng)，國內(nèi)外學(xué)者開展了一些研究，早期以風(fēng)洞試驗(yàn)測量為主[4～7]，隨后大家又采用數(shù)值模擬方法研究[8～10]，不久前還有學(xué)者利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究減弱風(fēng)尾流效應(yīng)的措施[11]。這些成果對艦載直升機(jī)起飛與著艦飛行包線的選擇及駕駛員的訓(xùn)練，曾提供了重要的參考。不過，這些研究所得的信息量和結(jié)果精度仍不能滿足實(shí)際需要，尤其是對新型隱身艦船結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)代大型驅(qū)逐艦和補(bǔ)給船體型龐大，加上在海上實(shí)際測量多有不便，當(dāng)前主要采用數(shù)值模擬進(jìn)行研究。本文采用文獻(xiàn)[12]發(fā)展的一種低速氣體流動的處理壓強(qiáng)方法，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，背景壓強(qiáng)近似為環(huán)境大氣，速度誘導(dǎo)與流體動能聯(lián)合計(jì)算，在對水面艦船風(fēng)尾流大渦模擬時(shí)大大節(jié)省了計(jì)算成本。本文將應(yīng)用低速氣流運(yùn)動控制方程組和大渦模擬方法，對不同來風(fēng)速度引起水面艦船風(fēng)尾流變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究此類流動行為具有的特殊性。

2大渦模擬控制方程組

大氣繞流水面艦船是一個(gè)典型的冷態(tài)、低速空氣流動問題。由于水面艦船氣體繞流速度較低，直升機(jī)起降時(shí)艦船相對風(fēng)速一般很少超過25 m/s，而當(dāng)?shù)匾羲賱t一般高于340 m/s，可采用低馬赫數(shù)假設(shè)[12]，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：

(1)

考慮大氣分層、大氣溫度和壓力隨高度變化分別為

T0(z)=T∞+Γz

(2)

(3)

其中T∞為海面處大氣溫度，Γ為大氣溫度變化率，p∞為海平面處大氣壓力。

大氣背景壓強(qiáng)滿足理想氣體狀態(tài)方程：

(4)

為此，水面艦船大氣繞流可采用無化學(xué)反應(yīng)、無輻射的氣體低速流動過程的湍流瞬時(shí)控制方程組描述，應(yīng)用盒式濾波器對其作Favre濾波運(yùn)算，可得到大渦模擬的控制方程組為

(5)

(7)

其中τ和q分別為亞格子湍流應(yīng)力和熱流通量。對它們分別采用Deardorff亞格子模型[13]和渦擴(kuò)散模型[14]進(jìn)行模擬，并采用Werner-Wengle壁模型進(jìn)行近壁區(qū)修正[15]。

在交錯網(wǎng)格系上將上述大渦模擬控制方程組離散，時(shí)間上采用顯式的二階精度的預(yù)測-校正格式，空間上采用二階精度的差分格式，對流項(xiàng)則采用基于Superbee通量限制器的TVD格式，擴(kuò)散項(xiàng)則采用中心差分格式。

3模擬對象與工況參數(shù)

本文選取圖l所示的計(jì)算域，長300m、寬100m、高80m。水面艦船模型位于計(jì)算域垂直對稱面(y=0)上，為了考慮地球邊界層的影響，甲板前沿距離計(jì)算域入口50m。艦船模型選取與美國“朱姆沃爾特”號接近的外形與尺寸，長183m、寬24m，飛行甲板距離水面3m。

圖1　計(jì)算區(qū)域與水面艦船模型示意圖

計(jì)算中不考慮海浪的影響，也不考慮艦船的搖擺，假設(shè)海面為水平的固體壁面。在計(jì)算域入口(x=0)，給定風(fēng)速、風(fēng)向條件，出口和垂直側(cè)面采用自由邊界條件，上表面采用滑移邊界條件。在計(jì)算域的開口表面上，如果法向速度分量指向域外，則各變量取為自由邊界面條件，反之各變量則取為外界環(huán)境空氣的參數(shù)。為模擬進(jìn)口處的擾動，對速度邊界條件加上隨機(jī)噪聲，并取隨機(jī)噪聲為均勻分布。

在各坐標(biāo)方向上分別采用均勻網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)數(shù)目取為600×200×160。計(jì)算時(shí)間取為100s，時(shí)間步長由CFL數(shù)確定。

本文采用大渦模擬軟件FDS6.0進(jìn)行計(jì)算[16～17]。計(jì)算中不考慮艦體與空氣之間的熱交換。取海面處大氣溫度為20℃，Γ為-0.005K/m。計(jì)算初始條件為靜止大氣。

為了研究不同風(fēng)速對水面艦船尾流影響的特點(diǎn)，計(jì)算時(shí)保持風(fēng)向?yàn)檎虿蛔?，改變來風(fēng)風(fēng)速為5m/s、10m/s和15m/s。

4結(jié)果分析與討論

圖2為水面艦船風(fēng)尾流達(dá)到了時(shí)均穩(wěn)定后，正向來風(fēng)速度為5m/s、10m/s、15m/s情況下，艦船艏艉中心線上距離艦尾15m、飛行甲板高度12m位置處的大尺度湍流動能隨著時(shí)間變化模擬結(jié)果。由圖看出，不同風(fēng)速下，在飛行甲板上方均存在嚴(yán)重的風(fēng)湍流，隨著風(fēng)速增加，大尺度的湍動能增加非常明顯;出現(xiàn)顯著湍動能的時(shí)間間隔略有減小，但仍為秒級。

圖3給出了水面艦船風(fēng)尾流達(dá)到了時(shí)均穩(wěn)定后，正向來風(fēng)速度為5m/s、10m/s、15m/s情況下，距艦尾15m橫向水平線上離飛行甲板左舷3m外、高度12m位置處大尺度湍流動能隨著時(shí)間變化模擬結(jié)果。

由圖看出，不同風(fēng)速下，在飛行甲板外側(cè)上方也均存在嚴(yán)重的風(fēng)湍流，隨著風(fēng)速增加，大尺度的湍動能也增加非常明顯;出現(xiàn)顯著湍動能的時(shí)間間隔變化不大。

圖4給出了水面艦船風(fēng)尾流達(dá)到了時(shí)均穩(wěn)定后，正向來風(fēng)速度為5m/s、10m/s、15m/s情況下，艦船艏艉中心線上艦尾后10m、飛行甲板高度17m位置處大尺度湍流動能隨著時(shí)間變化模擬結(jié)果。由圖看出，不同風(fēng)速下，在艦尾上方的風(fēng)尾流湍流脈動均非常嚴(yán)重，隨著風(fēng)速增加，大尺度的湍動能增加不太明顯;間歇性出現(xiàn)顯著湍動能的時(shí)間間隔減小較多。

圖2風(fēng)尾流時(shí)均穩(wěn)定后，艦船艏艉中心線上距離艦尾15m、飛行甲板高度12m位置處大尺度湍流動能隨著時(shí)間變化模擬結(jié)果

圖5給出了不同風(fēng)速下艦船艏艉垂直平面(y=0)飛行甲板區(qū)域內(nèi)時(shí)均(t=80-100s)壓力(Pa)和垂向速度(m/s)分布。由圖看出，不同速度下，在該平面的甲板區(qū)域內(nèi)，均出現(xiàn)了正壓力，隨著風(fēng)速增加，壓力現(xiàn)在內(nèi)部增大;不過，速度不同對該區(qū)域的下洗氣流區(qū)大小影響不大，但隨著速度增加，機(jī)庫門前甲板附近區(qū)域的下洗速度增加較大。

圖6給出了不同風(fēng)速下艦艉橫向垂直平面(x=233m)時(shí)均壓力(Pa)和垂向速度(m/s)分布。由該圖看出，風(fēng)離開艦船后，在靠近艦船艏艉連線的區(qū)域內(nèi)，氣流仍保持正壓，壓力隨著速度增加顯著增大;不過，風(fēng)速對該空間的下洗氣流區(qū)域影響不大。

圖5　不同風(fēng)速下艦船艏艉垂直平面飛行甲板區(qū)域內(nèi)時(shí)均壓力(Pa)和垂向速度(m/s)分布

圖6　不同風(fēng)速下艦艉橫向垂直平面時(shí)均壓力(Pa)和垂向速度(m/s)分

圖7給出了不同風(fēng)速下飛行甲板上方水平面(z=10m)時(shí)均壓力(Pa)和垂向速度(m/s)分布。由該圖可以看出，在飛行甲板上方一定高度(z=10m)平面內(nèi)，不同風(fēng)速下，壓著艏艉連線壓力基本上均接近等值分布，且沿著流動方向有所增加;由該圖還可以看出，風(fēng)速對該平面的下洗速度區(qū)域大小和分布影響不大。

圖7　不同風(fēng)速下飛行甲板上方水平面時(shí)均壓力(Pa)和垂向速度(m/s)分布

5結(jié)論

本文采用低速氣體流動控制方程組和湍流大渦模擬方法，對不同迎面來風(fēng)風(fēng)速下的水面艦船風(fēng)尾流行為進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

1) 隨著風(fēng)速增加，甲板上方空間內(nèi)的湍動能增加顯著，艦尾的湍動能增加不多;風(fēng)尾流中間歇性出現(xiàn)顯著湍動能的時(shí)間間隔，隨著風(fēng)速增加有所減小。

2) 飛行甲板上方和艦尾流中出現(xiàn)的下洗氣流區(qū)域?qū)挾取㈤L度和高度，受風(fēng)速大小影響不大;僅在靠近機(jī)庫門的甲板附近區(qū)域內(nèi)，下洗速度隨著風(fēng)速增大有所增加。

3) 飛行甲板區(qū)域上方形成的正壓區(qū)和壓力值，隨著風(fēng)速增大而增加。

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收稿日期：2016年1月7日,修回日期：2016年2月13日

作者簡介：袁書生，男，博士，教授，研究方向：湍流多相流與燃燒。

中圖分類號TP391

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.022

Large Eddy Simulation of the Effect of Wind Speeds on Airwake of Surface Warships

YUAN ShushengZHAO YuanliNIAN Songlei

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)

AbstractThe control equations of low Mach air flow and the large eddy simulation method of turbulent flows are used to study the effect of wind speed on airwake of surface warship. The variety process of pressure and velocity of air motion with time at some positions over the flight deck and the time-averaged distribution of air pressure and velocity on the bow to stern perpendicular symmetric plane, the level plane over the flight deck and the vertical plane at the stern of ship are conducted. When the coming wind is head on, the intermittently appeared bigger turbulent energy in the zone over the flight deck enhances evidently and the interval between two bigger turbulent energies reduces indistinctively as the wind speed increases. The effect of wind speed on the bulk of downwash flow zone over the flight deck is small. The region of positive pressure and the pressure value over the flight deck enhance as the wind speed increases.

Key Wordssurface warship, airwake, large eddy simulation