正向风下航母甲板风涡流场的模拟研究∗

2020-10-10

舰船电子工程 2020年8期

（海军航空大学岸防兵学院烟台 264001）

1 引言

与大型驱逐舰、护卫舰等相比，航空母舰、大型登陆舰虽然其舰岛相对舰船本身而言体积较小，但是由于其整体个体较为庞大，因而在航空母舰、大型登陆舰等舰船的飞行甲板上方，大气绕流会产生比较复杂的涡流，这些大气绕流的存在会对直升机等旋翼飞行器的起飞与着舰产生很大影响[1]。

由于航空母舰、大型登陆舰为艏艉直通甲板，其甲板风（WOD，Wind Over Deck）特征与驱逐舰、护卫舰的存在着一定的差异[2]，需要进行研究。

在传统的风洞模型试验中存在主要的问题[3]：一是在风洞模型试验中，由于舰船模型至少缩小100倍，因此难以建立相似雷诺数的流动条件；二是由于在实际中舰船风绕流场非稳态性很强，对于全尺寸舰船来说，其风扰动频率会远大于舰船模型的扰动频率，因此传统的风洞模型试验中不能真实正确地反映舰船甲板风的瞬间特性，本文拟采用计算量和信息量均满足研究要求的大涡数值模拟方法[4～5]。

在利用冷态不可压缩流动的N-S方程来实现大气绕流的模拟的过程中，需要对压强与速度的耦合进行求解，这个求解过程是处理的难点，会占据许多的计算时间，尤其对航空母舰、大型登陆舰等大型平台的大气绕流问题，会相应增加难以承受的计算量，并且难以达到模拟计算精度要求[6]。

针对正向来风条件下航空母舰甲板风的涡流场特点，本文在Rehm等[7]的研究基础上，利用低速气流运动控制方程组和Deardorff动力学亚格子模型，进行数值模拟计算。

2 模拟方程组构建

大气绕流舰船产生比较复杂的涡流的问题，是一个典型的空气在低速条件下的流动问题。由于在直升机起降实际的操作过程中，航空母舰相对风速一般很少超过25m/s，而音速一般取340m/s，因此这种低速空气流动符合低马赫数假设条件[6]，在低马赫数假设中，一般是将气流压强分解为背景压强和速度诱导压强之和：

而在实际中还需考虑大气分层的问题，大气压强和温度会随高度变化而变化，这种变化分别为

式中：T∞为海面处大气温度，p∞为海平面处大气压强，Γ为大气温度变化率。

大气的背景压强应满足理想气体状态方程：

在上述低马赫数假设条件下，利用冷态气体低速流动过程的湍流瞬时控制方程组来描述航空母舰的大气绕流问题，得到模拟的方程组为

在对控制方程组计算时，并不是对上面的方程组进行直接求解，而是先将代入，将上面方程组中的方程（6）和（7）分别变化为

而对于亚格子湍流应力以及热流通量这两个因子的模拟问题，在这里就要用到Deardorff亚格子模型[8]和涡扩散模型[9]，并且需要结合 Werner-Wengle壁模型对模拟计算过程进行近壁区修正[10]，从而得到模拟结果。

在计算过程中，需要对上面的控制方程组在交错网格系中进行离散，在时间上、空间上、对流项和扩散项上，分别采用显式的二阶精度的预测-校正格式、二阶精度的差分格式、基于Superbee通量限制器的TVD格式、中心差分格式。

3 模拟仿真参数假设

为了计算方便，本文采用一个长度为600.0m、宽度为300.0m、高度为100.0m的计算域模型（图1所示）。将航空母舰模型放置于垂直对称面上，此时y=0。航空母舰的甲板前沿位于域入口80.0m处的位置。根据实际情况，设定航空母舰模型的甲板的长、宽、距离水面高度分别为340.0m、78.0m、20.0m，用一个长、宽、高为20.0m、12.0m、20.0m的立方体来代替航空母舰模型的舰岛，立方体的中心到甲板的前沿为206.0m。

在仿真计算过程中，为了方便简化，在暂不考虑海浪以及舰船摇摆的影响条件下，将海面设定为水平的固体壁面，以给定速度的风，从计算域入口（x=0）吹入，计算域的出口和垂直侧面采用自由边界，计算域的上表面则采用滑移边界。

图1 航空母舰仿真模型与计算区域示意图

在计算域的开口表面上，对于法向速度分量来说，如果指向域外，则各变量取为自由边界面条件；如果指向域内，则各变量取为外界环境空气的参数。在模拟仿真过程中，必须要考虑进口处的各种扰动，因此对速度边界条件需要加上随机噪声（取均匀分布）。

利用大涡模拟软件 FDS6.1[11～12]进行仿真模拟计算，按照均匀网格将计算域在各坐标各个方向上进行划分，网格的结点数目600×300×100；取大气温度为20℃，Γ为-0.005K/m；给定风速15m/s；计算时间取为100.0s，时间步长由CFL数确定。

4 模拟仿真分析

理论研究表明在航母的舰载直升机着舰时，受较高空间风影响较大。为了分析高空间风影响的特点，首先需要在正向来风情况下，研究距舰艏不同距离位置处压强随着时间的变化规律，图2中给出了对称面y=0上、甲板以上高度z=5m、距舰艏不同距离位置处压强随着时间变化规律。

从仿真计算结果来看，当时间到达80s以后，整个模拟过程达到了时均稳定。由仿真结果可以看出，沿着航母艏艉线、距离舰艏5m和120m、甲板上方5m位置处的压强随着时间变化的规律基本一致，但是在距离舰艏220m和320m的位置时，尽管高度认为5m，压强随着时间变化却有所不同，220m和320m处的时均值较舰艏的低，而前一点压强变化的周期与舰艏的接近，而后一点压强变化的周期相比舰艏的有所增加。注意：距舰艏220m的点与舰岛基本平齐，而距舰艏320m的点离舰艉25m。由此说明，越靠近舰艉，甲板上方涡流场压强的变化幅度越大，靠近舰艉区域每隔一段时间，出现与舰艏部分周期接近的压强平稳变化，然后又出现一段变化幅度较大、周期较长的剧烈压强变化。

图2 正向来风条件下航母甲板上方不同位置处压强随着时间变化的模拟结果

图3给出是：当甲板风达到时均稳定（t=80s～100s）时，在甲板上方区域内，距舰艏不同距离垂直截面上的时均速度分布模拟仿真。图3（a）、（b）和（c）位于舰岛前，由该三幅图可以看出，在航母甲板前面部分，在两舷处诱导出了两个涡，距舰艏越远，这两个涡的强度越小。图3（d）、（e）和（f）位于舰岛之后，由这三幅图看出，左舷处的涡已经衰减到非常弱，而在右舷附近，航母舰岛和舰身的综合作用，诱导出了一个又高又大的涡，并在涡右侧产生了非常明显的下洗速度区域，距舰艉越近，该涡的强度和下洗速度越小。

为了分析涡流场对甲板上方速度分布的影响，图4给出是：当甲板风达到时均稳定（t=80s～100s）时，航母艏艉线附近甲板上方的时均速度分布仿真。由图4（a）和（b）看出，在靠近舰艏的甲板中心区域上方，流场的时均速度分布杂乱无章，没有一个固定的流动趋势，越靠近舰艏，上层区域的上升气流越明显。而由图4（c）则看出，在这一截面上，时均速度分布具有了一定的趋势，即风由右舷向左舷流动，并在右舷侧产生了较大的上升气流，该截面距离舰岛仅20m，这可能是气流在舰岛上发射引起的。图4（d）为舰岛后4m处的时均速度分布，在甲板左侧区域，气流具有向左流动的趋势，这说明是由上游气流具有较大的右向左运动的惯性决定的；而在右侧区域，气流则具有向上、向右运动的趋势，这是舰岛绕流尾部低压区诱导产生的。到了x=350m和x=400m截面处，由于舰岛绕流尾部低压区诱导作用，在图示整个区域内，整体上气流具有了由左向右运动的趋势，并且右侧的上升速度明显地超过了左侧。

图3 甲板风时均稳定后，距舰艏不同距离垂直截面上时均速度分布

图4 甲板风时均稳定后，距舰艏不同距离垂直截面上时均速度分布

图5给出是：当甲板风达到时均稳定（t=80s～100s）时，分别在航母甲板后方x=450m、x=500m处垂直截面上的时均速度分布模拟仿真。从该图看出，在这些截面上存在着6个涡，航母艏艉对称面附近3个，左侧区域1个，右侧区域2个（上下分布），它们之所以不对沉分布，是因为航母几何尺寸不对称造成的。艏艉对称面附近这3个涡高度较低，对直升机起降影响不大；而另外3个涡则有较大的影响。比较起来，左侧仅有一个涡，显然流场更为平缓。