不同風速對水面艦船風尾流影響的大渦模擬*

袁書生　趙元立　粘松雷

(海軍航空工程學院　煙臺　264001)

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不同風速對水面艦船風尾流影響的大渦模擬*

袁書生趙元立粘松雷

(海軍航空工程學院煙臺264001)

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

關鍵詞水面艦船; 風尾流; 大渦模擬

Class NumberTP391

1引言

大氣繞流水面艦船將誘導出復雜的風尾流結構，由于流場中形成了剪切層和尺寸與直升機主旋翼直徑相當的渦結構，風尾流在旋翼和機身上將產生脈動的力和力矩，非穩定的風尾流將引起直升機姿態，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，以確保直升機保持在飛行甲板上方的位置。前人研究表明，在飛行甲板區域流場中，以0.2Hz～2Hz頻率出現顯著的湍流能量，在直升機起降時作用在包含駕駛員的閉環系統中[1～2]，這意味著將大大加劇了駕駛員的工作負荷[3]，顯著地增大直升機起飛與著艦的難度，嚴重時甚至導致著艦失敗。

關于水面艦船的風尾流效應，國內外學者開展了一些研究，早期以風洞試驗測量為主[4～7]，隨后大家又采用數值模擬方法研究[8～10]，不久前還有學者利用風洞試驗研究減弱風尾流效應的措施[11]。這些成果對艦載直升機起飛與著艦飛行包線的選擇及駕駛員的訓練，曾提供了重要的參考。不過，這些研究所得的信息量和結果精度仍不能滿足實際需要，尤其是對新型隱身艦船結構。

現代大型驅逐艦和補給船體型龐大，加上在海上實際測量多有不便，當前主要采用數值模擬進行研究。本文采用文獻[12]發展的一種低速氣體流動的處理壓強方法，將氣流壓強分解為背景壓強和速度誘導壓強之和，背景壓強近似為環境大氣，速度誘導與流體動能聯合計算，在對水面艦船風尾流大渦模擬時大大節省了計算成本。本文將應用低速氣流運動控制方程組和大渦模擬方法，對不同來風速度引起水面艦船風尾流變化進行了數值模擬，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典型的冷態、低速空氣流動問題。由于水面艦船氣體繞流速度較低，直升機起降時艦船相對風速一般很少超過25 m/s，而當地音速則一般高于340 m/s，可采用低馬赫數假設[12]，將氣流壓強分解為背景壓強和速度誘導壓強之和：

(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。

大氣背景壓強滿足理想氣體狀態方程：

(4)

為此，水面艦船大氣繞流可采用無化學反應、無輻射的氣體低速流動過程的湍流瞬時控制方程組描述，應用盒式濾波器對其作Favre濾波運算，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力和熱流通量。對它們分別采用Deardorff亞格子模型[13]和渦擴散模型[14]進行模擬，并采用Werner-Wengle壁模型進行近壁區修正[15]。

在交錯網格系上將上述大渦模擬控制方程組離散，時間上采用顯式的二階精度的預測-校正格式，空間上采用二階精度的差分格式，對流項則采用基于Superbee通量限制器的TVD格式，擴散項則采用中心差分格式。

3模擬對象與工況參數

本文選取圖l所示的計算域，長300m、寬100m、高80m。水面艦船模型位于計算域垂直對稱面(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　計算區域與水面艦船模型示意圖

計算中不考慮海浪的影響，也不考慮艦船的搖擺，假設海面為水平的固體壁面。在計算域入口(x=0)，給定風速、風向條件，出口和垂直側面采用自由邊界條件，上表面采用滑移邊界條件。在計算域的開口表面上，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境空氣的參數。為模擬進口處的擾動，對速度邊界條件加上隨機噪聲，并取隨機噪聲為均勻分布。

在各坐標方向上分別采用均勻網格劃分，網格結點數目取為600×200×160。計算時間取為100s，時間步長由CFL數確定。

本文采用大渦模擬軟件FDS6.0進行計算[16～17]。計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。計算初始條件為靜止大氣。

為了研究不同風速對水面艦船尾流影響的特點，計算時保持風向為正向不變，改變來風風速為5m/s、10m/s和15m/s。

4結果分析與討論

圖2為水面艦船風尾流達到了時均穩定后，正向來風速度為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間變化模擬結果。由圖看出，不同風速下，在飛行甲板上方均存在嚴重的風湍流，隨著風速增加，大尺度的湍動能增加非常明顯;出現顯著湍動能的時間間隔略有減小，但仍為秒級。

圖3給出了水面艦船風尾流達到了時均穩定后，正向來風速度為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間變化模擬結果。

由圖看出，不同風速下，在飛行甲板外側上方也均存在嚴重的風湍流，隨著風速增加，大尺度的湍動能也增加非常明顯;出現顯著湍動能的時間間隔變化不大。

圖4給出了水面艦船風尾流達到了時均穩定后，正向來風速度為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間變化模擬結果。由圖看出，不同風速下，在艦尾上方的風尾流湍流脈動均非常嚴重，隨著風速增加，大尺度的湍動能增加不太明顯;間歇性出現顯著湍動能的時間間隔減小較多。

圖2風尾流時均穩定后，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間變化模擬結果

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

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

圖5　不同風速下艦船艏艉垂直平面飛行甲板區域內時均壓力(Pa)和垂向速度(m/s)分布

圖6　不同風速下艦艉橫向垂直平面時均壓力(Pa)和垂向速度(m/s)分

圖7給出了不同風速下飛行甲板上方水平面(z=10m)時均壓力(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，不同風速下，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，風速對該平面的下洗速度區域大小和分布影響不大。

圖7　不同風速下飛行甲板上方水平面時均壓力(Pa)和垂向速度(m/s)分布

5結論

本文采用低速氣體流動控制方程組和湍流大渦模擬方法，對不同迎面來風風速下的水面艦船風尾流行為進行了數值模擬研究，得到如下結論：

1) 隨著風速增加，甲板上方空間內的湍動能增加顯著，艦尾的湍動能增加不多;風尾流中間歇性出現顯著湍動能的時間間隔，隨著風速增加有所減小。

2) 飛行甲板上方和艦尾流中出現的下洗氣流區域寬度、長度和高度，受風速大小影響不大;僅在靠近機庫門的甲板附近區域內，下洗速度隨著風速增大有所增加。

3) 飛行甲板區域上方形成的正壓區和壓力值，隨著風速增大而增加。

參 考 文 獻

[1] J. V. Healey.Establishing a Database for Flight in the Wakes of Structures[J].Journal of Aircraft，1992，29(4)：559-564.

[2] J. S. Forrest，I. Owen.Investigation of Ship Airwakes Using Detached-Eddy Simulation[J].Computers and Fluids，2010，39(4)：656-673.

[3] D. T. McRuer.Interdisciplinary Interactions and Dynamic Systems Integration[J].International Journal of Control，1994，59(1)：3-12.

[4] K. M. Johns，J. V. Healey.The Airwake of a DD-963 Class Destroyer[J].Naval Engineers Journal，1989，101(3)：36-42.

[5] M. M. Rhoades，J. V. Healey.Flight deck Aerodynamics of a Nonaviation Ship[J]. Journal of Aircraft，1992，29(4)：619-626.

[6] B. T. Cheney，S. J. Zan.CFD Code Validation Data and Flow Topology for the Technical Co-operation Program AER-TP2 Simple Frigate Shape[C]//National Research Council of Canada， 1999，Report LTR-LA-294.

[7] S. J. Zan.Surface Flow Topology for a Simple Frigate Shape[J].Canadian Aeronautics and Space Journal，2001，47(1)：33-43.

[8] S. A. Polsky，C. W. Bruner.Time-Accurate Computational Simulations of an LHA Ship Airwake[C]//AIAA 2000-4126，18th Applied Aerodynamics Conference and Exhibit，Denver，CO，2000(8)：14-17.

[9] S. A. Polsky.A Computational Study of Unsteady Ship Airwake[C]//AIAA 2002-1022，40th Applied Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，Reno，NV，2002(7)：14-17.

[10] N. Sezer-Uzol，A. Sharma，L. N. Long.Computational Fluid Dynamics Simulations Ship Airwake[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part G：Aerospace Engineering，2005，219(5)：369-392.

[11] D. I. Greenwell，R.V.Barrett.Inclined Screens for Control of Ship Air Wakes[C]//AIAA 2006-3502，3rd AIAA Flow Control Conference，San Francisco，California，2006(6)：5-8.

[12] R. G. Rehm，H. R. Baum.The Equations of Motion for Thermally Driven，Buoyant Flows[J].Journal of Research of the NBS，1978，83：297-308.

[13] J. W. Deardorff.Numerical Investigation of Neutral and Unstable Planetary Boundary Layers[J].Journal of Atmospheric Sciences，1972，29：91-115.

[14] J. W. Deardorff.Stratocumulus-capped mixed layers derived from a three-dimensional model[J].Boundary-Layer Meteorol. ，1980，18：495-527.

[15] H. Werner，H. Wengle.Large-eddy Simulation of Turbulent Flow over and around a Cube in a Plate Channel[C]//In 8th Symposium on Turbulent Shear Flows，1991，34：155-168.

[16] J. Floyd，G. Forney，S. Hostikka，etc.Fire Dynamics Simulator(Version 6)-Technical Reference Guide[M].NIST Special Publication 1018，2012.

[17] J. Floyd，G. Forney，S. Hostikka，etc.Fire Dynamics Simulator(Version 6)-User`s Guide[M].NIST Special Publication 1019，2012.

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