艦船空氣流場(chǎng)數(shù)值模擬方法研究

王之良

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

艦船甲板是直升機(jī)海上作業(yè)的主要場(chǎng)所，然而由于受自然風(fēng)、艦船上層建筑以及船舶運(yùn)動(dòng)的綜合影響，甲板流場(chǎng)異常復(fù)雜，常伴隨“陡壁效應(yīng)”和“臺(tái)階效應(yīng)”等現(xiàn)象。當(dāng)直升機(jī)飛臨艦船甲板時(shí)，艦面流場(chǎng)將會(huì)直接影響飛行員的操縱，流場(chǎng)越復(fù)雜，操縱難度越大，直升機(jī)起降安全裕度越小。因此，準(zhǔn)確地計(jì)算和預(yù)測(cè)艦面流場(chǎng)特性對(duì)艦載直升機(jī)具有十分重要的意義。

近年來，大量國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了艦船空氣流場(chǎng)數(shù)值模擬方法的研究。Polsky[1]進(jìn)行了LHA(兩棲攻擊艦)空氣尾流的時(shí)間精確數(shù)值仿真，證明了CFD模擬LHA的結(jié)果能夠很好地符合風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果；Syms[2]使用lattice-Boltzmann方法計(jì)算了輕型護(hù)衛(wèi)艦的空氣流場(chǎng)并獲得了準(zhǔn)確的流場(chǎng)特征；Forrest[3]利用DES方法分別計(jì)算了SFS2和T23兩種不同型號(hào)護(hù)衛(wèi)艦的空氣流場(chǎng)，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比研究。國(guó)內(nèi)，吳裕平[5]、呂紅利[6]、郜治[7]、陸超[8]、洪偉宏[9]等學(xué)者先后進(jìn)行了艦船空氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究。然而目前國(guó)內(nèi)的研究大多是采用基于雷諾時(shí)均方法(RANS)的湍流模型。RANS方法注重平均運(yùn)動(dòng)，通過平均運(yùn)算將流場(chǎng)脈動(dòng)的時(shí)空細(xì)節(jié)抹平，對(duì)大分離流動(dòng)預(yù)報(bào)性差。

本文分別使用基于SST湍流模型的DES方法和基于SST模型的RANS方法進(jìn)行了艦船空氣流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算，通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，以及流場(chǎng)特性分析，驗(yàn)證了DES方法在艦船空氣流場(chǎng)預(yù)測(cè)方面應(yīng)用的優(yōu)越性。

1 數(shù)值方法

1.1 Menter k-ω SST 湍流模型

Menterk-ωSST的兩方程湍流模型方程為：

(1)

(2)

粘性系數(shù)可由下式確定：

(3)

式(1)與式(2)中，Pk，Pω為湍流生成項(xiàng)，其具體定義及模型方程中的常數(shù)根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]給出。

1.2 基于Menter k-ω SST 湍流模型的DES方法

在k-ωSST湍流模型k方程的耗散項(xiàng)中，湍流尺度參數(shù)lk-ω的表達(dá)式為：

lk-ω=k1/2βkω

(4)

在DES方法中，lk-ω將由min(lk-ω，CDESΔ)代替，其中Δ=max(Δx,Δy,Δz)，為網(wǎng)格單元的最大邊長(zhǎng)，常數(shù)CDES=0.65。在靠近物面的邊界層中，lk-ω≤Δ，該模型充當(dāng)k-ωSST湍流模型；當(dāng)遠(yuǎn)離物面lk-ω大于CDES時(shí)，該模型充當(dāng)大渦模擬中的亞格子雷諾應(yīng)力模型。

2 物理模型

研究的物理模型是一艘尾部為直升機(jī)起降平臺(tái)的輕型護(hù)衛(wèi)艦，簡(jiǎn)化了一些幾何尺度較小，距離起降平臺(tái)較遠(yuǎn)，對(duì)起降區(qū)流場(chǎng)的影響可以忽略的裝置，保留了雷達(dá)天線、艦炮、煙囪等主要上層建筑，簡(jiǎn)化后的物理模型如圖1所示，圖2為艦艏局部網(wǎng)格模型。

圖1 物理模型

圖2 艦艏局部網(wǎng)格

海平面與船體表面一樣采用粘性無滑移固壁邊界，無窮遠(yuǎn)處采用壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件。在保證阻塞率[10]的前提下，確定計(jì)算域長(zhǎng)度方向10倍于艦船最大長(zhǎng)度，寬度方向10倍于艦船最大寬度，高度方向6倍于艦船最大高度，采用全局結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行空間離散，整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量接近1000萬(wàn)，其中直升機(jī)起降平臺(tái)處網(wǎng)格量接近400萬(wàn)。

3 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

直升機(jī)起降平臺(tái)位于艦船尾部，由于上層建筑和臺(tái)階結(jié)構(gòu)的影響，艦艏正迎風(fēng)時(shí)，該區(qū)域流場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的大分離現(xiàn)象，致使流場(chǎng)出現(xiàn)大量脫體渦，直接影響艦載直升機(jī)起降安全。因此，本文以艦艏正迎風(fēng)狀態(tài)作為計(jì)算工況，針對(duì)相同的計(jì)算網(wǎng)格模型，分別使用RANS和DES方法進(jìn)行了流場(chǎng)計(jì)算分析，并通過艦船半寬值和來流速度對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了無量綱處理。

3.1 速度分布

圖3和圖4為在甲板長(zhǎng)度方向中間位置上方與船寬方向平行線上三個(gè)方向的速度分布曲線。由圖可知，隨著Y坐標(biāo)由兩側(cè)船舷向艦船中縱剖面變化，縱向速度(X方向)逐漸減小。圖3主要是受到臺(tái)階渦的擾動(dòng)，在甲板中心位置達(dá)到最小，而圖4則是受到艦船上層建筑尾跡的影響，縱向速度最小值并沒有出現(xiàn)在中心位置，而是偏向了右舷。其他兩個(gè)方向速度均出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)，說明流場(chǎng)中存在著不同程度的上沖和下洗速度。總的來說，RANS方法在主要受到渦流干擾的流場(chǎng)中心區(qū)域預(yù)測(cè)能力較差，而DES方法在整個(gè)流場(chǎng)范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)能力均較好，流場(chǎng)數(shù)據(jù)趨勢(shì)和量級(jí)均與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。

圖3 距離甲板0.6倍半寬高度

圖4 距離甲板1倍半寬高度

3.2 渦流分布

圖5給出了流場(chǎng)中渦流的分布情況，圖6為船寬方向截面流線分布。RANS方法計(jì)算得到流場(chǎng)基本上是軸對(duì)稱的，流場(chǎng)內(nèi)渦流的數(shù)量較少，且多為大尺度的，有一定的對(duì)稱性。DES方法計(jì)算結(jié)果不具備對(duì)稱性，分離流動(dòng)表現(xiàn)為一些排列不規(guī)則，尺度相對(duì)較小的渦結(jié)構(gòu)，完全無規(guī)律可言，對(duì)艦船這類受到前方上層建筑和臺(tái)階結(jié)構(gòu)影響的大分離流場(chǎng)來說，這與物理規(guī)律是相符合的。

圖5 空間渦流分布

圖6 船寬方向剖面流線分布

3.3 壓力分布

圖7和圖8分別給出了不同方向截面內(nèi)的總壓力分布。綜合3.2節(jié)與3.3節(jié)的計(jì)算結(jié)果，可以看出由于渦流的存在，流場(chǎng)中出現(xiàn)了低壓區(qū)，低壓區(qū)位置與渦流的位置是一一對(duì)應(yīng)的。對(duì)于本文算例而言，流場(chǎng)內(nèi)的低壓區(qū)將會(huì)直接對(duì)直升機(jī)旋翼產(chǎn)生“下吸”，從而影響旋翼載荷分布，增加直升機(jī)飛行操縱難度。從這個(gè)方面來說，使用DES方法得到的流場(chǎng)氣動(dòng)環(huán)境更加惡劣，但是可信度更高，有助于提升直升機(jī)艦面起降的安全性。

圖7 甲板平行剖面總壓分布

圖8 船寬方向剖面總壓分布

4 結(jié)語(yǔ)

本文分別采用RANS和DES方法進(jìn)行了艦面空氣流場(chǎng)研究，計(jì)算結(jié)果表明DES方法在大分離流場(chǎng)計(jì)算方面具有優(yōu)勢(shì)，能夠通過對(duì)流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)的捕捉得到更加全面的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)更加貼近真實(shí)流場(chǎng)，以該數(shù)據(jù)作為艦載直升機(jī)起降安全性評(píng)估的輸入?yún)?shù)，可靠性更高。