舰船空气流场数值模拟方法研究

2018-10-09王之良

直升机技术 2018年3期

王之良

(中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001)

0 引言

舰船甲板是直升机海上作业的主要场所，然而由于受自然风、舰船上层建筑以及船舶运动的综合影响，甲板流场异常复杂，常伴随“陡壁效应”和“台阶效应”等现象。当直升机飞临舰船甲板时，舰面流场将会直接影响飞行员的操纵，流场越复杂，操纵难度越大，直升机起降安全裕度越小。因此，准确地计算和预测舰面流场特性对舰载直升机具有十分重要的意义。

近年来，大量国外学者进行了舰船空气流场数值模拟方法的研究。Polsky[1]进行了LHA(两栖攻击舰)空气尾流的时间精确数值仿真，证明了CFD模拟LHA的结果能够很好地符合风洞测试结果；Syms[2]使用lattice-Boltzmann方法计算了轻型护卫舰的空气流场并获得了准确的流场特征；Forrest[3]利用DES方法分别计算了SFS2和T23两种不同型号护卫舰的空气流场，并与试验数据进行了对比研究。国内，吴裕平[5]、吕红利[6]、郜治[7]、陆超[8]、洪伟宏[9]等学者先后进行了舰船空气流场的数值模拟研究。然而目前国内的研究大多是采用基于雷诺时均方法(RANS)的湍流模型。RANS方法注重平均运动，通过平均运算将流场脉动的时空细节抹平，对大分离流动预报性差。

本文分别使用基于SST湍流模型的DES方法和基于SST模型的RANS方法进行了舰船空气流场数值模拟计算，通过与实测数据的对比，以及流场特性分析，验证了DES方法在舰船空气流场预测方面应用的优越性。

1 数值方法

1.1 Menter k-ω SST 湍流模型

Menterk-ωSST的两方程湍流模型方程为：

(1)

(2)

粘性系数可由下式确定：

(3)

式(1)与式(2)中，Pk，Pω为湍流生成项，其具体定义及模型方程中的常数根据参考文献[4]给出。

1.2 基于Menter k-ω SST 湍流模型的DES方法

在k-ωSST湍流模型k方程的耗散项中，湍流尺度参数lk-ω的表达式为：

lk-ω=k1/2βkω

(4)

在DES方法中，lk-ω将由min(lk-ω，CDESΔ)代替，其中Δ=max(Δx,Δy,Δz)，为网格单元的最大边长，常数CDES=0.65。在靠近物面的边界层中，lk-ω≤Δ，该模型充当k-ωSST湍流模型；当远离物面lk-ω大于CDES时，该模型充当大涡模拟中的亚格子雷诺应力模型。

2 物理模型

研究的物理模型是一艘尾部为直升机起降平台的轻型护卫舰，简化了一些几何尺度较小，距离起降平台较远，对起降区流场的影响可以忽略的装置，保留了雷达天线、舰炮、烟囱等主要上层建筑，简化后的物理模型如图1所示，图2为舰艏局部网格模型。

图1 物理模型

图2 舰艏局部网格

海平面与船体表面一样采用粘性无滑移固壁边界，无穷远处采用压力远场边界条件。在保证阻塞率[10]的前提下，确定计算域长度方向10倍于舰船最大长度，宽度方向10倍于舰船最大宽度，高度方向6倍于舰船最大高度，采用全局结构化网格进行空间离散，整个计算域网格数量接近1000万，其中直升机起降平台处网格量接近400万。

3 流场计算结果

直升机起降平台位于舰船尾部，由于上层建筑和台阶结构的影响，舰艏正迎风时，该区域流场会出现强烈的大分离现象，致使流场出现大量脱体涡，直接影响舰载直升机起降安全。因此，本文以舰艏正迎风状态作为计算工况，针对相同的计算网格模型，分别使用RANS和DES方法进行了流场计算分析，并通过舰船半宽值和来流速度对相应数据进行了无量纲处理。

3.1 速度分布

图3和图4为在甲板长度方向中间位置上方与船宽方向平行线上三个方向的速度分布曲线。由图可知，随着Y坐标由两侧船舷向舰船中纵剖面变化，纵向速度(X方向)逐渐减小。图3主要是受到台阶涡的扰动，在甲板中心位置达到最小，而图4则是受到舰船上层建筑尾迹的影响，纵向速度最小值并没有出现在中心位置，而是偏向了右舷。其他两个方向速度均出现了不同程度的波动，说明流场中存在着不同程度的上冲和下洗速度。总的来说，RANS方法在主要受到涡流干扰的流场中心区域预测能力较差，而DES方法在整个流场范围内的预测能力均较好，流场数据趋势和量级均与实测数据相吻合。

图3 距离甲板0.6倍半宽高度

图4 距离甲板1倍半宽高度

3.2 涡流分布

图5给出了流场中涡流的分布情况，图6为船宽方向截面流线分布。RANS方法计算得到流场基本上是轴对称的，流场内涡流的数量较少，且多为大尺度的，有一定的对称性。DES方法计算结果不具备对称性，分离流动表现为一些排列不规则，尺度相对较小的涡结构，完全无规律可言，对舰船这类受到前方上层建筑和台阶结构影响的大分离流场来说，这与物理规律是相符合的。

图5 空间涡流分布

图6 船宽方向剖面流线分布

3.3 压力分布

图7和图8分别给出了不同方向截面内的总压力分布。综合3.2节与3.3节的计算结果，可以看出由于涡流的存在，流场中出现了低压区，低压区位置与涡流的位置是一一对应的。对于本文算例而言，流场内的低压区将会直接对直升机旋翼产生“下吸”，从而影响旋翼载荷分布，增加直升机飞行操纵难度。从这个方面来说，使用DES方法得到的流场气动环境更加恶劣，但是可信度更高，有助于提升直升机舰面起降的安全性。