側向風下航母甲板風渦流場的模擬研究

袁書生，粘松雷，趙元立

(海軍航空工程學院，山東煙臺 264001)

側向風下航母甲板風渦流場的模擬研究

袁書生，粘松雷，趙元立

(海軍航空工程學院，山東煙臺 264001)

采用低馬赫數假設下的氣流運動控制方程組和湍流大渦模擬方法，研究在側向來風條件下，航母甲板風渦流場的特點。在側向來風時，航母前部甲板上方壓強時均值、變化幅度與周期差異不大；后部甲板上方壓強時均值較前半部分略有增加，變化幅度和周期均有所增大。

航空母艦；甲板風；大渦模擬；渦流

0 引 言

驅逐艦、護衛艦的艦體結構基本上是對稱的，并且首尾不通場，而航空母艦、大型登陸艦的布置一般是不對稱的，艦島位于艦體的一側，且首尾直通布置，故大氣繞過驅逐艦、護衛艦形成的甲板風與航母、大型登陸艦形成的甲板風存在明顯的不同[1-2]，風向的影響更顯著。為了便于發展航空母艦、大型登陸艦等直通甲板艦船上直升機或者垂直起降飛機的起飛與著艦安全包線，必須了解側向風條件下的這類艦船甲板風渦流場的特性。

對于航母甲板風特性，人們曾采用各種手段對其進行研究[3-5]。后發現，風洞研究存在著致命的不足，即全尺寸艦船的風擾動頻率遠大于風洞模型情況，試驗所得結果并不能真實反映航母甲板風的瞬間特性，而這一特性又是設計艦載直升機安全起飛降落包線的關鍵。而在以往所用的艦船甲板風流動數值模擬中，也只有大渦模擬手段能夠在計算量和信息量滿足問題研究的需要。本文將應用 Rehm 等[6]發展的、適用于低速氣體流動的低速氣流運動控制方程組和 Deardorff 動力學亞格子模型，對側向風條件下航母甲板風的渦流場進行數值模擬。

1 大渦模擬控制方程組

直升機在水面艦船上起降時，相對風速一般很少超過 25 m/s，而音速則一般高于 340 m/s（相當于大氣溫度 20 ℃ 左右）。基于此，可采用 Rehm[5]提出的低馬赫數假設，將氣流壓強分解為背景壓強和速度誘導壓強之和：

考慮大氣分層，大氣溫度和壓強隨高度變化分別為：

式中：T∞為海面處大氣溫度；Γ為大氣溫度變化率；p∞為海平面處大氣壓強。

大氣背景壓強滿足理想氣體狀態方程：

水面艦船大氣繞流可以采用無化學反應、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：

在交錯網格系上離散該大渦模擬控制方程組。對亞格子湍流應力和熱流通量分別采用 Deardorff 亞格子模型和渦擴散模型進行模擬[7-8]，并采用 Werner-Wengle壁模型進行近壁區修正[9]。

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 2 階精度的預測-校正格式，空間上采用 2 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。壓強 Poisson 方程（10）采用 FFT 方法直接求解。

2 模擬對象與工況參數

選取圖 1 所示的計算域，長 600 m，寬 300 m，高 100 m。航母模型位于計算域垂直對稱面（y= 0）上，甲板前沿距離計算域入口 80.0 m。航母模型選取與美國“企業”號近似的外形，甲板長 340 m，寬 78 m，距離水面 20 m，艦島采用長寬高分別為 20 m × 12 m × 20 m立方體代替，其幾何中心距離甲板前沿 206 m。

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 × 300 × 100。計算時間取為 100 s，時間步長由 CFL 數確定。本文的計算采用大渦模擬軟件FDS6.1 進行[10-11]。取海面處大氣溫度為 20 ℃，Γ為 -0.005 K/m。計算初始條件為靜止大氣。為了研究側向風下航母甲板風渦流場的特性，來風速度取為 20 m/s和風向為左舷 15°。

計算中不考慮海浪和艦船搖擺的影響，假設海面為水平的固體壁面。在計算域入口（x= 0、y= -150 m），給定風速分量，出口采用自由邊界條件，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。

3 結果分析與討論

通過對計算結果分析，可知t= 80 s 以后模擬達到了時均穩定。艦載直升機著艦時主要是受較高空間風影響，為了分析其特點，圖 2 給出了航母首尾對稱面上、甲板上方 5 m、距艦首不同距離位置上壓強隨時間變化的模擬結果。由圖 2 可看出，側向來風條件下，航母前部甲板上方壓強的變化規律基本一致，其時均值、變化幅度與周期差異不大。后部甲板上方壓強時均值較前部分有所增加，但是增加不多，壓強變化幅度和周期也均略有增大。

圖 3 和圖 4 分別給出了甲板風達到時均穩定后、航母甲板區域內、距艦首不同距離處垂直截面上的時均速度和時均壓強分布（t= 80～100 s）。從時均流場看，當來風為側向風時，在甲板的前半部（艦島以前），僅在迎風一側的艦舷處誘導出了一個較大的渦，該渦則隨著離開艦首距離的增加，強度在減弱；而在背風一側艦舷處，沒有看到明顯的渦流場結構。還可看出，該部分甲板區域內，下洗速度區域很小，僅存在于靠近渦的背風側；但是在甲板的前部，在渦的迎風側，則出現了較為明顯的上升氣流。由圖 4 可看出，隨著該渦強度的減弱，壓強則有所增加。

到了甲板的后半部分（艦島以后），除了迎風側的渦仍然存在外，在艦島后部又發出了一對對向渦。迎風側的渦，隨著距艦尾距離越近，尺寸有所增加，且渦心逐漸向甲板中心線靠近；而艦島后的對渦則逐漸離開背風一側的艦舷成為脫體渦，在甲板后半部分的背風一側艦舷附近，流動成為平緩的水平流。為了進一步分析脫體渦的特點，圖 5 給出了x= 350 m 和x= 400 m 截面上背風一側的流場時均速度分布。由圖 5看出，該脫體渦離開航母船體后，逐漸合并成了一個大渦，渦心移動到了海面附近，在水平方向上則逐漸向風下游移動。盡管該脫體渦的渦心位置較低并低于航母甲板，但是在渦的背風側存在著一個很大的下洗速度區域，該區遠高于甲板，而且其速度絕對值也不小。顯然，直升機不應在該區域內進場著艦。同樣，在該脫體渦流場中，隨著離開航母的距離增加，渦強度有所減弱，壓強則有所增加。

為了研究側向風時航母風尾流中渦流場的特性，圖 6 則給出了甲板后方x= 450 m 和x= 500 m垂直截面上的時均速度和時均壓強分布（t= 80～100 s），x= 450 m 截面距離艦尾 25 m，x= 500 m 截面距離艦尾 75 m。從圖 6 可看出，在靠近航母的橫向垂直截面上存在著同向的 2 個大渦，位于航母首尾對稱面附近，1 個渦心高于甲板，另 1 個渦心則低于甲板，較高渦的迎風側為上升氣流，背風側為下洗氣流，顯然這個渦對直升機的起降影響較大。在遠離航母的截面上，則存在著 1 個大渦，它前一截面上那 2 個大渦合并的結果。由圖 6 還可看出，在尾渦流場中離開航母越遠，渦強度越低，壓強越高。

4 結 語

本文采用低馬赫數假設下的氣體流動控制方程組和湍流大渦模擬方法，保持風速 20 m/s 和風向角左舷15° 不變，對航母甲板風流場中渦特性進行了數值模擬研究，得到如下結論：

1）側向來風條件下，航母前部甲板上方壓強的變化規律基本一致，其時均值、變化幅度與周期差異不大。后部甲板上方壓強時均值較前部分有所增加，但是增加不多，壓強變化幅度和周期均略有增大。

2）從時均流場看，當來風為側向風時，在甲板的前半部分，僅在迎風一側的艦舷處誘導出了 1 個較大的渦，該渦隨著離開艦首距離的增加，強度減弱；而在背風一側艦舷處，沒有看到明顯的渦流場結構。

3）在甲板的后半部分，除了迎風側的渦仍然存在外，在艦島后部又發出了一對對向渦。迎風側的渦，隨著距艦尾距離越近，尺寸有所增加，渦心逐漸向甲板中心線靠近；而艦島后的對渦則逐漸離開艦體成為脫體渦，艦舷附近流動成為平緩的水平流。

4）脫體渦離開航母艦體后，逐漸合并成了一個大渦，高度上渦心向海面附近移動，在水平方向上則逐漸向風下游移動。在該渦的背風側存在著一個很大的下洗速度區域，遠高于甲板，而且其速度絕對值也不小。

5）尾流中靠近航母的橫向垂直截面上存在著 2 個位于首尾對稱面附近的同向大渦，1 個渦心高于甲板，另一個渦心則低于甲板，較高渦的迎風側為上升氣流，背風側為下洗氣流。在遠離航母的截面上合并為一個渦。

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Simulated study to wind deck vortex flow of aircraft carriers under cross wind

YUAN Shu-sheng, NIAN Song-lei, ZHAO Yuan-li
(Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

The control equations with the hypothesis of low Mach air flow and the large eddy simulation method of turbulent flows are used to study the characteristics of vortex in the wind over deck of aircraft carriers under the condition of cross wind.The time-averaged value, the variety scope and the variety period of pressures in the region over the former deck are near invariable.The time-averaged value, the variety scope and the variety period of pressures in the region over the tail deck are little larger than that at the former deck.

aircraft carrier；wind over deck；large eddy simulation；vortex flow

E925.671

：A

1672-7619(2017)01-0045-06doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.010

2016-01-25；

: 2016-08-29

袁書生(1963-)，男，教授，博士生導師，從事湍流多相流與燃燒研究。