瀕海戰斗艦氣流場數值計算研究

任孝宇， 郜哲明， 郜冶

(1.湖北航天技術研究院 總體設計所，湖北 武漢 430040； 2.哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

為適應近海領域的復雜環境，美國政府研究了一種區別于大型艦艇的高速、靈活、具備載機功能的中小型戰艦，命名為瀕海戰斗艦(littoral combat ship,LCS)。瀕海戰斗艦的艦體采用 穩定性極強的三體結構[1]，具備高達3 000 t以上滿載排水量的同時，其航速最大仍然可以達到50 kn，整體具備較高的平穩性，瀕海戰斗艦的研究借鑒了包括我國的022型導彈快艇在內的多款知名艦型[2]，以“獨立級”瀕海戰斗艦(LCS-2)為例，艦艇上的寬闊甲板增高了離開水面的距離，有助于直升機的起降[3]，空氣尾流場中的上下洗氣流設計對直升機降落有著至關重要的影響。船體的形狀通常為不規則的鈍角形，船身的機庫、控制塔臺等結構在艦船移動過程中導致后方艦載機起降平臺周圍的氣動環境形成因擾動造成的渦流現象[4]。針對LCS-2的尾流場，用fluent進行數值模擬，并與典型護衛艦簡化模型SFS2的相關數據進行對比，研究LCS-2的空氣尾流場特性。

1 物理模型與數學描述

1.1 物理模型

瀕海戰斗艦分別由2家公司設計建造[5]，針對美國通用動力公司設計的首艘采用三體結構的 “獨立”號瀕海戰斗艦(LCS-2)開展仿真分析，模型原點選取為艦船起降平臺的中心點，船艉向船艏為X正方向，右舷向左舷為Y正方向，從海平面指向上方為Z正方向，LCS-2模型的機庫高度h=5.5 m，飛行甲板長度l=44 m，飛行甲板寬度b=25 m，如圖1所示。

圖1 LCS-2模型Fig.1 Littoral combat ship(LCS-2) model

因SFS2有船艏[6]，與LCS-2的艦身結構有相似之處，故對典型的帶有船艏的簡化護衛艦模型SFS2進行仿真分析，模型原點選取為艦船起降平臺的中心點，船艉向船頭為X正方向，右舷向左舷為Y正方向，從海平面指向上方為Z正方向。

SFS2的仿真計算工況與文獻[7]中實驗工況設置相同，如圖2所示，其中SFS2 模型的機庫高度H=6.096 m，艦載機起降平臺長度L=4.5H，寬度B=2.25H。

圖2 SFS2模型Fig.2 Simple frigate shape(SFS2) model

1.2 數學模型

不同的算例使用的湍流模型也不相同，針對艦船的低速尾流擾動，使用RANS理論中的標準k-ε模型進行計算，該湍流模型由Jones和Launder共同提出，基于Boussinesq假設，是一個來源于試驗的半經驗公式：

(1)

(2)

式中：μt是湍動粘度；Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項，相關表達式為：

(3)

Gk=μtS2

(4)

一般條件下，模型的封閉系數的常用值為：

Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

標準k-ε模型是一種高雷諾數模型，通常用于計算完全湍流的流動狀態，模型具有較好的計算精度和收斂性能，能滿足簡單的湍流分析，基本可適用于管流、射流等常規湍流流動，但該模型不建議用于低雷諾數，且對于復雜湍流的適應性較差，標準k-ε模型用于文獻[8-9]的研究，且取得了良好的仿真數據。綜上所述，標準k-ε模型可以應用于艦船艉流場的仿真計算。

2 網格劃分及無關性驗證

2.1 網格模型及邊界條件

使用CFD ICEM軟件處理模型網格，LCS-2的網格模型如圖3所示，網格數目403萬，SFS2網格模型如圖4所示，網格數目321萬。計算區域入口設置為速度入口，出口為壓力出口；其他邊界均設置為壁面。

仿真分析時需考慮船體周圍計算域具備流體充分擴散的條件，為保證仿真的計算域大小合理，規定計算域邊界的長、寬、高分別為21倍船長、21倍船寬、4倍船高[10]，船體模型位于計算域底邊中心部位。

2.2 網格無關性檢驗

進行仿真計算之前，需通過網格無關性驗證，以LCS-2船體甲板的中心標注起降部位凈空度為該艦型核載的一艘CH-53軍用直升機凈高的O點作為參考點，該點的X、Y、Z三向坐標分別為-22、0、7.6。通過改變網格數，得到相同邊界條件情況下O點Vy的變化趨勢，圖5為O點的空間部位示意圖。

選定的邊界條件為：

1)船艏前方為速度入口，船身所有面均為無滑移壁面，船艉后方為壓力出口；

2)入口速度角為0°，入口速度為30 kn(15.45 m/s)；

3)基于壓力的求解器；

4)k-ε湍流模型，SIMPLE算法。

圖3 LCS-2仿真計算網格Fig.3 Simulation mesh for LCS-2

圖4 SFS2仿真計算網格Fig.4 Simulation mesh for SFS2

圖5 CH-53的旋翼高度中心點Fig.5 The center of the helicopter wing of CH-53

計算工況的入口速度較低，可將計算域內氣體近似處理為不可壓縮流體，用N-S方程組求解。

從圖6可以看出，隨著網格數量的增大，O點的無量綱垂直方向速度波動范圍逐漸縮小，網格數目大于82萬后，計算得到的無量綱速度基本穩定，綜合考慮仿真效率和經濟成本，可以使用82萬數目的網格對LCS-2艦船模型開展下一步仿真分析計算。

3 計算結果分析

3.1 典型位置速度曲線分析

為了分析LCS-2的艉流場特性，選取了艦船甲板周圍的幾個典型位置，如圖7所示，分別是高度為1倍機庫，長度為1.5倍甲板長度的X方向直線ls、高度為0.5倍機庫，在甲板長度中心位置，長度為2倍船寬的Y方向直線lb以及長度方向分別取0.2和0.4倍船長，高度為1.5倍機庫高度的Z方向直線lh-0.2和lh-0.4。整理其速度數據，做出2種船型的無量綱速度特征曲線。

圖8為甲板寬度方向(直線lb)與甲板長度方向中點上方的速度分布情況對比圖，2種船型計算結果與SFS2風洞試驗[11]均顯示出了較好的對稱性，且速度變化的趨勢基本相同。SFS2的X方向速度受到比LCS-2更強的擾動，在中軸線附近達到最強；SFS2基本在所有數據范圍內具有比LCS-2更高的Y方向和Z方向速度，SFS2的Y方向速度最高達到0.09，同一位置LCS-2的速度僅有0.06左右，增幅達到了50%；兩者的Z方向速度在中軸線附近最為接近，而在左右兩側SFS2均具有更大的下洗速度，增幅最大超過80%，出現在y/b=0.25附近位置。

圖6 網格無關性驗證Fig.6 Verification of the mesh independence

圖7 特征直線選取位置Fig.7 Location of measuring line

直升機在甲板上起飛時主要受到的是下洗氣流的影響[12-14]，圖9是2種船型在不同位置的下洗速度對比曲線，分別取距離機庫底部0.2和0.4倍甲板長度的位置。如圖9(a)所示，LCS-2在1h以上的高度范圍內具有相對SFS2更高的下洗速度(斜向機庫門導致提前)；如圖9(b)所示，LCS-2在1h以下的高度范圍內的下洗速度比SFS2更低，差值最大達到50%，出現在z/h=0.675附近位置。

圖10是2種艦船模型與SFS2的風洞試驗在垂直于甲板中心線(直線ls)的下洗速度對比曲線，由圖可以看到，在甲板長度范圍內，SFS2始終具有比LCS更高的下洗速度，兩者的下洗速度最大差值出現在0.375 1位置，SFS2的速度增幅達到80%。而在甲板之后的范圍內，LCS-2的下洗速度略大于SFS2，較好地規避了甲板平面上直升機起降的下洗氣流干擾問題。

3.2 尾流場速度云圖分析

因為LCS-2的艦載機主要是垂直起降直升機，其主要在甲板的中心位置進行起降任務，在飛行甲板上X方向選取x/l=0.5截面，重點分析該截面上的速度特性對直升機起降的影響。

圖8 lb各方向速度比較Fig.8 Comparison of three velocity component on lb

從圖11可以看出，SFS2在截面處呈現出Y速度的方向改變，表示該截面上存在橫向的氣流擾動，Y速度最大值達到2 m/s；LCS-2的Y速度則是按比較標準的左右對稱情況分布，Y速度最大值為0.8 m/s，相對SFS2減小了60%。

從Z方向速度云圖可以看出，2種船型在截面的最大下洗速度都為1.6 m/s，最大上洗速度都為0.5 m/s，且速度分布都是呈兩邊對稱分布。SFS2的下洗速度區寬度接近甲板寬度的90%，而LCS-2下洗速度區寬度僅為35%。SFS2的上洗速度和下洗速度分布較近，存在明顯的互相擾動，而LCS-2的2類速度區劃分清晰，有較寬的邊界。

圖9 lh-0.2和lh-0.4下洗速度比較Fig.9 Downwash velocity on lh-0.2 and lh-0.4

圖10 ls下洗速度比較Fig.10 Comparison of downwash velocity on ls

3.3 艉流場流線圖分析

SFS2風洞試驗[9]測得的回流區長度為1.75H，由圖12(a)的艉流場流線圖可知，SFS2的回流區長度1.81H，與風洞試驗存在3%的誤差。回流區長度為整體甲板長度的40.1%。

LCS-2無風洞試驗數據，從圖12(b)可看出回流區的長度為1.733h。回流區長度為整體甲板長度的21.7%。LCS-2的回流區長度相對SFS2的更短，有利于艦載機的降落。

目前只能定性得到傾斜機庫門對艉流場的擾動存在一種抑制作用，有利于直升機的起降任務。具體隨傾斜角度變化大小而帶來的定量分析，還需繼續做深入的探討與研究。

圖11 x/l=0.5豎直截面速度對比Fig.11 Velocity cloud on the cross-section， x/l=0.5

圖12 中縱面流線Fig.12 Streamline chart of centerline

4 結論

1)在甲板長度中點位置的寬度方向，LCS-2比SFS2所受到的X方向氣流擾動較小；兩者的下洗氣流速度最大差值出現在左右0.25倍船寬位置，SFS2的下洗氣流速度比LCS-2的大80%；

2)在甲板長度方向，LCS-2的下洗速度始終比SFS2的更小，最大差值出現在0.375倍船長位置，SFS2的下洗速度比LCS-2的大80%；

3)在甲板長度中點位置的x2截面，LCS-2的Y方向速度比SFS2的小60%；SFS2下洗速度區寬度為其甲板寬度的90%，而LCS-2僅為35%；

4)受傾斜機庫門的影響，LCS-2的下洗速度區高度相對SFS2較低，長度較長；

5)LCS-2的縱向回流區長度為甲板長度的21.7%，SFS2的回流區長度則為甲板長度的 40.1%；在艦船艉流場的大部分區域，LCS-2具有明顯低于SFS2的下洗氣流速度和橫向氣流擾動程度。