大型船舶空氣尾流場(chǎng)防治新技術(shù)的數(shù)值模擬

2020-08-14 01:51:00蘇軾鵬曹小群張大全韋智元

國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào) 2020年4期

關(guān)鍵詞：船舶

蘇軾鵬，曹小群，張大全，韋智元

(1. 海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧大連 116018； 2. 國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410073；3. 廣東順德工業(yè)設(shè)計(jì)研究院(廣東順德創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究院)，廣東佛山 528311)

空氣尾流場(chǎng)是船舶海上航行時(shí)，受到船體結(jié)構(gòu)、船體運(yùn)動(dòng)及海表風(fēng)等的影響，在船體周圍產(chǎn)生的復(fù)雜氣流擾動(dòng)場(chǎng)。其中，大型船舶尾部氣流會(huì)對(duì)飛機(jī)降落安全有嚴(yán)重影響[1]。因此一直是備受關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一[2]，國(guó)內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)都開展了相關(guān)研究[3-8]。目前，相關(guān)領(lǐng)域多采用以計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法為主，以風(fēng)洞和實(shí)船實(shí)驗(yàn)測(cè)量為輔進(jìn)行驗(yàn)證的方法。經(jīng)過幾十年的積累，在船舶空氣尾流場(chǎng)規(guī)律特性認(rèn)識(shí)方面取得了很大進(jìn)展，為飛機(jī)海上降落安全提供了重要參考。

然而，要徹底消除空氣尾流場(chǎng)的影響，需進(jìn)一步開展防治與控制的研究。對(duì)船舶空氣尾流場(chǎng)防治的目標(biāo)是通過改善空氣尾流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，降低湍流強(qiáng)度，使流場(chǎng)均勻穩(wěn)定。目前的主要方法是通過改變船體局部結(jié)構(gòu)來改善空氣尾流場(chǎng)。2006年，F(xiàn)indlay等[9]在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中將鋸齒狀格柵安置于船模后的甲板邊緣，以改變船體附近平均氣流與氣流的脈動(dòng)；同年，Greenwell等[10]采用傾斜多孔屏作為改善氣流場(chǎng)的工具取得較好的效果；2013年，K??ri? 等[11]研究了側(cè)風(fēng)條件下將船模上層建筑迎風(fēng)面加裝副翼或?qū)⑦吘壷瞥砂疾鄣姆椒?，發(fā)現(xiàn)由于氣流場(chǎng)的影響減小，飛行器載荷明顯降低；同年，Lasalle[8]也有類似的研究。上述方法可在一定程度上改變空氣尾流場(chǎng)，但是存在明顯問題：一是只對(duì)特定風(fēng)向條件下的空氣尾流場(chǎng)效果明顯，缺乏靈活性；二是改變船體外形結(jié)構(gòu)，在船舶設(shè)計(jì)中難于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外的、更大的渦旋。所以本文基于流動(dòng)控制方法，主要包括邊界層控制[12]、圓柱繞流控制[13]、后臺(tái)階流動(dòng)控制[14-15]以及機(jī)翼等流動(dòng)分離控制[16-17]等，提出基于主動(dòng)補(bǔ)氣方法的大型船舶空氣尾流場(chǎng)防治新技術(shù)，從而克服已有方法的缺點(diǎn)，達(dá)到改善空氣尾流場(chǎng)的目的。與此相似的工作僅有Gallas等[18]從實(shí)驗(yàn)角度針對(duì)特定船模進(jìn)行的試探性研究，但是仍需對(duì)船體進(jìn)行改造，沒有形成可靠的技術(shù)。鑒于此，本文從大型船舶空氣尾流場(chǎng)的基本特性出發(fā)，提出主動(dòng)補(bǔ)氣方法研究其防治技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣尾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的改善。

1 大型船舶空氣尾流場(chǎng)的基本特性

1.1 方法與模型

船舶周圍的空氣流動(dòng)可認(rèn)為是三維、低速、不可壓的湍流運(yùn)動(dòng)，在滿足連續(xù)介質(zhì)假設(shè)條件下由Navier-Stokes方程(簡(jiǎn)稱N-S方程)描述。本文重點(diǎn)集中于航母空氣尾流場(chǎng)防治技術(shù)的研究，需多次改變邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算，為保證運(yùn)算效率，故采用以Spalart-Allmaras渦黏模型為湍流模型的雷諾平均N-S(Reynolds Average Navier-Stokes, RANS)方法為計(jì)算模型。

1.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

1.2.1 邊界條件

實(shí)現(xiàn)主動(dòng)補(bǔ)氣防治方法，首先要了解大型船舶空氣尾流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特征。采用大型船舶模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，網(wǎng)格生成采用結(jié)構(gòu)化三維六面體網(wǎng)格，在船體邊界層附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)加密設(shè)置(如圖1所示)，總網(wǎng)格數(shù)為1 750 316。計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方體，其長(zhǎng)寬高尺寸為1400 m×450 m×220 m，計(jì)算域邊界條件設(shè)置如下(如圖2所示)：

1)入口邊界面，位于大型船舶模型船首正對(duì)方向一個(gè)船長(zhǎng)L位置的豎直平面，選用速度入口類型，速度分量設(shè)置為u=U，v=w=0，其中U為來流速度；

2)出口邊界面，位于大型船舶模型船尾正對(duì)三個(gè)船長(zhǎng)L位置的豎直平面，選用壓力出口邊界類型；

3)壁面邊界，船體表面為無滑移壁面，由于不考慮海浪的影響，上下左右邊界均設(shè)置為滑移壁面。在防治研究中，需要重新設(shè)置船體表面的壁面邊界。

圖1 模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1 Mesh generation of ship model

圖2 計(jì)算域及邊界條件Fig.2 Computational field and boundary condition

1.2.2 工況設(shè)置

根據(jù)研究[19]結(jié)果，甲板風(fēng)平行于飛機(jī)降落跑道時(shí)為飛機(jī)降落的最佳風(fēng)向，甲板風(fēng)風(fēng)速范圍在9～15 m/s之間。而本文采用的斜角甲板與船體中線成7°夾角。可見，如果設(shè)航向，即船首正對(duì)方向?yàn)?°，順時(shí)針為正，理想狀態(tài)下甲板風(fēng)平行于斜角甲板中線，即甲板風(fēng)風(fēng)向角為-7°時(shí)最佳。采用此種工況，即甲板風(fēng)風(fēng)向角為-7°，風(fēng)速分為9 m/s、12 m/s以及15 m/s三種情況(如圖3所示)。同時(shí)選用有代表性的控制面作為流場(chǎng)特性研究，主要包括甲板下10.5 m高度的水平面和與斜角甲板中線重合的垂直縱向剖面。

1.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

由于采用的風(fēng)速差異不大，相同風(fēng)向角情況下，9 m/s、12 m/s與15 m/s三種情況的空氣尾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相似，下面以15 m/s風(fēng)速情況為例進(jìn)行分析。

圖3 甲板風(fēng)風(fēng)向角Fig.3 Wind of deck angel

從速度標(biāo)量場(chǎng)分析可知，在甲板以下存在著一個(gè)明顯的低速區(qū)(如圖4(a)～(b)所示)，與速度矢量場(chǎng)中渦旋區(qū)相對(duì)應(yīng)(如圖5(a)～(b)所示)。水平方向?yàn)閮蓚€(gè)近似對(duì)稱的渦旋，垂直方向是一個(gè)大的且船尾下滑道附近有明顯下沉分量的渦旋，而氣流場(chǎng)中的其他部分相對(duì)均勻。這是空氣尾流場(chǎng)中最明顯、面積最大的渦旋區(qū)，是形成尾部下沉氣流分量的主要原因，也是防治的重點(diǎn)區(qū)域。在流線分布圖中也可明顯看到相似的流場(chǎng)特征(如圖6(a)～(b)所示)。此外，在下邊界壁面處由于氣流與邊界的相互作用，存在流速增大的現(xiàn)象。

(a) 甲板以下10.5 m高度的水平面(a) Horizontal section 10.5 m below deck

(b) 與斜角甲板中線重合的縱向剖面(b) Lengthways section coincident with the center line of inclined deck圖4 船尾空氣尾流場(chǎng)速度標(biāo)量場(chǎng)Fig.4 Scalar velocity field of stern airwake

(a) 甲板以下10.5 m高度的水平面(a) Horizontal section 10.5 m below deck

(b) 與斜角甲板中線重合的縱向剖面(b) Lengthways section coincident with the center line of inclined deck圖5 船尾空氣尾流場(chǎng)的速度矢量場(chǎng)Fig.5 Vector velocity field of stern airwake

(a) 甲板以下10.5 m高度的流線水平面圖(a) Horizontal section 10.5m below deck

(b) 甲板以下10.5 m高度的流線剖面圖(b) Lengthways section 10.5 m below deck圖6 空氣尾流場(chǎng)的流線圖Fig.6 Streamline of airwake

2 大型船舶空氣尾流場(chǎng)防治技術(shù)基礎(chǔ)

2.1 理論基礎(chǔ)與核心方法

一項(xiàng)成熟的技術(shù)需要具備理論基礎(chǔ)、核心方法和技術(shù)方案等多個(gè)層次的內(nèi)容。大型船舶空氣尾流場(chǎng)防治技術(shù)的理論基礎(chǔ)是邊界層控制理論[12]。根據(jù)相關(guān)理論可知，通過抽氣、補(bǔ)氣等措施可改變氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。本文研究的核心方法為主動(dòng)補(bǔ)氣防治方法，其基本思想是向空氣尾流場(chǎng)氣流擾動(dòng)最大的區(qū)域?qū)嵤┭a(bǔ)氣措施，以削弱氣流擾動(dòng)，使氣流場(chǎng)達(dá)到均勻穩(wěn)定。與傳統(tǒng)防治方法相比，它具有無須改變船體外形結(jié)構(gòu)、能自主調(diào)節(jié)氣流方向和速度以適應(yīng)氣流場(chǎng)變化以及不會(huì)產(chǎn)生額外湍流渦旋等優(yōu)勢(shì)。主動(dòng)補(bǔ)氣方法的核心問題：一是補(bǔ)氣區(qū)域和位置，二是補(bǔ)氣速度。下面分別加以分析。

2.2 補(bǔ)氣的區(qū)域和位置

由1.2.3節(jié)分析結(jié)果可知，空氣尾流場(chǎng)氣流擾動(dòng)最顯著的部分位于船尾甲板以下區(qū)域，該區(qū)域在水平面上存在對(duì)稱的雙渦旋，垂直方向存在一個(gè)大渦旋，氣流擾動(dòng)能量很大，是整個(gè)空氣尾流場(chǎng)擾動(dòng)能量的主要來源。該區(qū)域由于在速度場(chǎng)上是低速區(qū)，可以通過補(bǔ)氣的方式將低速區(qū)削弱，氣流擾動(dòng)就會(huì)隨之減弱，所以需選擇該區(qū)域作為補(bǔ)氣防治區(qū)域。補(bǔ)氣具體位置要根據(jù)船體特征來定。由大型船舶外形可知，在船尾能施以補(bǔ)氣的部位只有船尾兩層甲板之間的空隙(如圖7所示)，由圖4、圖5可知，該處存在明顯低速區(qū)，存在與甲板風(fēng)方向相反的氣流，雙渦旋特征最明顯，是氣流擾動(dòng)最明顯的地方，故將此處作為補(bǔ)氣防治位置。

圖7 船尾補(bǔ)氣位置Fig.7 Location of active flow control on stern

2.3 主動(dòng)補(bǔ)氣速度的計(jì)算

2.3.1 基于射流邊界層控制方程的補(bǔ)氣速度分析

速度設(shè)置是主動(dòng)補(bǔ)氣防治方法的核心問題，如果補(bǔ)氣速度太小，則無法達(dá)到尾流防治的目的；如果補(bǔ)氣速度太大，則耗費(fèi)能量代價(jià)太大，同時(shí)也影響了防治效果，因此需要從理論上進(jìn)行深入研究。船尾補(bǔ)氣與射流的物理過程一致，故采用射流相關(guān)理論。主動(dòng)補(bǔ)氣防治的Re遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于30，屬于紊動(dòng)射流。而且由于補(bǔ)氣區(qū)域的邊界存在氣流擾動(dòng)，故需考慮三維紊動(dòng)射流理論。對(duì)于三維紊動(dòng)射流，以x表示射流的縱軸，y表示水平方向垂直于x的橫向坐標(biāo)，z表示垂直于由xy確定的水平面垂直坐標(biāo)，原點(diǎn)位置隨補(bǔ)氣位置移動(dòng)(如圖8所示)。

圖8 船尾坐標(biāo)設(shè)置Fig.8 Stern coordinate setting

時(shí)均三維紊動(dòng)射流的邊界層方程和連續(xù)性方程[12]為

(1)

其中：u、v、w分別為空間三個(gè)方向的時(shí)均速度分量；ρ為空氣密度，視為常數(shù)；τti、τtj分別代表水平x方向紊動(dòng)切應(yīng)力項(xiàng)在水平y(tǒng)方向和垂直z方向的變化?？苫谶@兩個(gè)方程探討補(bǔ)氣速度的設(shè)置問題。

對(duì)于船尾主動(dòng)補(bǔ)氣防治方法而言，應(yīng)屬于平面紊動(dòng)射流，設(shè)其補(bǔ)氣界面的邊界條件為u=u0、v=0、w=0，即射流的出口速度與甲板風(fēng)方向一致，其大小即u0的數(shù)值需要進(jìn)一步確定。將邊界條件代入式(1)，同時(shí)考慮平流紊動(dòng)射流在水平橫向的紊動(dòng)切應(yīng)力項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于垂直方向，可忽略邊界層控制方程右邊第一項(xiàng)，滿足補(bǔ)氣截面邊界層方程可轉(zhuǎn)化為

(2)

2.3.2 基于連續(xù)性方程的補(bǔ)氣速度分析

連續(xù)性方程的基本思想是，對(duì)于一個(gè)界面，流體的流入量等于流出量，將此觀點(diǎn)用于航母空氣尾流場(chǎng)的計(jì)算域中：假設(shè)計(jì)算域中沒有航母模型，只有速度入口氣流存在，整個(gè)流場(chǎng)速度大小方向處處一致，是均勻穩(wěn)定的氣流場(chǎng)。而將航母模型置于其中，受阻擋的氣流會(huì)發(fā)生繞流，產(chǎn)生擾動(dòng)現(xiàn)象，從而形成了空氣尾流場(chǎng)。若要消除空氣尾流場(chǎng)，理想情況是將整個(gè)航母后部的橫截面都進(jìn)行補(bǔ)氣，只有速度保持與速度入口一致，才會(huì)達(dá)到最佳補(bǔ)氣效果。但該方法難以實(shí)現(xiàn)，只能在如圖7所示的補(bǔ)氣區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)氣設(shè)置。由式(2)可知，補(bǔ)氣速度過大會(huì)提高湍流強(qiáng)度。綜合以上分析，將補(bǔ)氣速度設(shè)置為與計(jì)算域速度入口相一致，即合成射流速度u0等于甲板風(fēng)速度U，而不必將補(bǔ)氣速度設(shè)為甲板風(fēng)的倍數(shù)。具體分析如下。

圖9 流體微元中x方向的流入、流出Fig.9 Inflow and outflow in x direction of fluid element

V出·S出-V入·S入=V補(bǔ)·S補(bǔ)

(3)

其中：V出、V入和V補(bǔ)分別為流出速度、流入速度和補(bǔ)氣速度；S出、S入和S補(bǔ)分別為流出面積、流入面積和補(bǔ)氣面積，在同一方向上，3個(gè)面積相等。式(3)可簡(jiǎn)化為

V出-V入=V補(bǔ)

(4)

(5)

由此得到最簡(jiǎn)化補(bǔ)氣速度控制方程組，其表達(dá)式為

(6)

對(duì)于15 m/s甲板風(fēng)條件，U=15。

2.4 補(bǔ)氣防治技術(shù)方案

補(bǔ)氣防治技術(shù)方案是理論向工程轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)以上分析，設(shè)定補(bǔ)氣速度與原氣流場(chǎng)速度合成后與甲板風(fēng)大小、方向相同。由于船尾補(bǔ)氣區(qū)過長(zhǎng)，速度不均勻，從工程實(shí)現(xiàn)角度宜縱向等分為8個(gè)大小均勻的區(qū)域，分別在相應(yīng)區(qū)域中心設(shè)置8個(gè)控制點(diǎn)(如圖10所示)，測(cè)得其平均氣流速度代表補(bǔ)氣界面氣流初始速度，再根據(jù)式(6)得到補(bǔ)氣速度。將8個(gè)補(bǔ)氣區(qū)域邊界條件由壁面改為速度入口，設(shè)置相應(yīng)的補(bǔ)氣速度，經(jīng)1000步以上迭代運(yùn)算得到完全收斂后的計(jì)算結(jié)果。

圖10 補(bǔ)氣部位的設(shè)置Fig.10 Location set of active flow control

3 主動(dòng)補(bǔ)氣防治的效果分析

3.1 水平控制面效果分析

由船尾渦旋最明顯的補(bǔ)氣位置速度標(biāo)量場(chǎng)分析可知，補(bǔ)氣后的速度低值區(qū)面積明顯減小，速度梯度減弱(如圖11(a)～(b)所示)。補(bǔ)氣前距船尾150 m處接近0的速度極小值區(qū)補(bǔ)氣后消失。在速度矢量場(chǎng)中(如圖12(a)～(b)所示)可見，補(bǔ)氣前對(duì)稱的雙渦旋結(jié)構(gòu)消失，流場(chǎng)氣流呈平穩(wěn)向中線匯聚的特征。從流線分析中可更加明顯地看出補(bǔ)氣前后的效果差異(如圖13所示)。補(bǔ)氣后流線的渦旋擾動(dòng)消失，流線變得平滑。綜上可見，補(bǔ)氣后空氣尾流場(chǎng)變得平穩(wěn)、均勻。