舰船绕流流场的数值模拟

杨思帆 梁仍康 邢苗苗 宋筱然 张伟

摘要：开展舰船绕流流场研究对认识舰载直升机起降过程中面临的气流环境具有重要意义。采用CFD方法对舰船航行过程中 0° 风向角10 m/s和20 m/s来流风速情况下舰船周围流场进行了数值模拟。结果表明：舰船上层建筑导致后端气流有明显紊乱但对着舰甲板的气流干扰程度较小；不同来流风速情况下流动变化规律大致相同；受机库影响，形成的下冲气流及其冲击到甲板在机库附近形成的低速回流区是舰载直升机进行起降任务所面临的主要问题。研究结果对舰船设计及舰载直升机安全快速起降具有参考价值。

关键词：舰船 舰载直升机 绕流流场 数值模拟

中图分类号：O354;U674.7+01文献标志码：A文章编号：1671-8755（2023）03-0098-07

Numerical Simulation of Flow Field around Ships

YANG Sifan， LIANG Rengkang， XING Miaomiao， SONG Xiaoran， ZHANG Wei

（School of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and

Technology， Mianyang 621010， Sichuan， China）

Abstract：  Conducting research on the flow field around ships is of great significance for understanding the airflow environment faced by shipborne helicopter during takeoff and landing. The numerical simulation of the flow field around a ship was carried out using the CFD method under the conditions of wind direction angle of 0° and incoming wind speeds of 10 m/s and 20 m/s during navigation. The results indicate that the superstructure of the ship causes significant turbulence in the aft flow， but the degree of airflow interference towards the deck is relatively small. The flow pattern is roughly the same under different incoming wind speeds. The downwash flow generated by the hangar and the low-speed flow area formed near the deck due to the impact of the downwash flow around the hangar are the main problems faced by the shipborne helicopter during takeoff and landing tasks. The research results have reference value for ship design and safe and fast takeoff and landing of shipborne helicopters.

Keywords：  Naval vessel; Shipborne helicopter; Flow field; Numerical simulation

为保障国家安全与发展，海防能力提升迫在眉睫。开展舰船在不同海况条件下的甲板尾流场研究，有助于认识舰载直升机起降过程中面临的气流环境，尤其是舰船尾部直升机飞行甲板在不同海况条件下的流场环境影响舰载直升机起降的安全性。关于舰船流场的研究主要有两种方法：实验分析及数值计算。实验分析方法主要包括缩比模型的风洞试验和实船测量，数值计算方法主要是基于CFD方法的数值模拟。

在实船测量方面，我国起步较晚。20世纪90年代，任荣生等［1］在车载舰船模型的尾流场测量中应用三丝热线探头对处于不同风向角下的尾流场特性进行了研究。Brownell等［2］在YP676舰船流场布置三分量风速仪进行实船测量，在0°  和15°  风向角的情况下得到飞行甲板上部流场的速度和雷诺应力，为舰船尾流场数值模拟研究提供了验证数据，同时也为驾驶员的飞行模拟提供了依据。顾松蕴等［3］和陆伟［4］使用PIV技术、七孔探针和染色液流动显示技术对舰船三维尾流场进行测量，不仅证实了流动分离和下洗流受到不同流动控制技术的抑制，还对直升机着舰过程中的气动力变化和旋翼流场进行了研究。在风洞试验方面，刘航等［5］通过对某舰船模型的风洞试验、流谱试验和地面模拟试验，得到了较为全面的舰船尾流场特性，并对等速度场、着舰区域截面流线和机库后方脱体涡进行了分析。Cheney［6］和Zan［7］利用油膜成像的方法对缩尺比为1∶60的SFS舰船模型进行了平均表面的流场测量，采用烟雾示踪方法使离体流动做到可视化;采用热线风速仪对缩尺比为1∶100的SFS2舰船模型的流场进行了研究，测得了由上层建筑到飞行甲板一系列的湍流统计值和平均速度，得到了速度谱。

在数值模拟研究方面，孙文胜［8-9］利用BP神经网络模型和有限元法对舰船尾流场进行了数值模拟研究，针对舰船着舰区域的流场特点，明确了尾流场的流场特性对飞行安全的重要性。马鸿儒等［10］通过对CFD技术在舰船流场的發展历程分析后指出，DES模型在舰船流场数值模拟方面拥有巨大潜力。贺少华等［11］研究了不同空间离散格式对舰船尾流场数值模拟结果的影响，采用非结构网格和SIMPLE算法两种方式得出舰船尾流场的数值模拟研究中二阶迎风格式更加有效。Syms［12］对SFS1和SFS2舰船均采用格子玻尔兹曼方法对它们的流场做出了较为准确的预测。Zhang等［13］使用Cobalt求解器对基于Gridgen非结构化网格的时间做了较为精确的模拟，捕捉到了舰船周围分离的大涡，研究结果表明Cobalt求解器基本可以满足机舰耦合问题的研究要求。黄刚等［14］研究了舰载直升机在着舰时与静止舰船的相互干扰，结果表明旋翼受到舰面效应和机库的陡壁干扰后拉力系数会有不同的变化。

对舰船甲板的气流，根据实船测量、风洞试验、数值模拟的一系列研究证实了甲板气流对舰载直升机的影响是巨大的，同时也论证了数值模拟方法在研究中具有成本低、周期短、可信度高的优点。本文通过数值模拟方法对052D驱逐舰的舰船绕流情况进行研究，以期为舰载直升机的安全起降提供合理建议。

1计算模型及网格划分

1.1舰船模型

052D型驱逐舰（Type 052D destroyer）是我国自主研发的导弹驱逐舰。目前，关于052D型驱逐舰绕流流场的公开数据并不多见。本文构建了052D驱逐舰的三维模型，基于CFD方法开展舰船尾流场数值模拟研究。利用软件Unigraphics NX（UG）进行简化建模。模型尺寸为舰宽17.5 m、舰长156 m、舰高27 m。三维建模选择 0°  风向角来流方向为X轴正方向，船高为Z轴正方向，舰船右侧为Y轴正方向，舰船底部前缘尖点为原点。052D舰船模型示意图如图1所示。

1.2网格划分

舰船外部计算域设置的长为1 056 m、宽为416 m、高为127 m，如图2所示。舰船体积占比为计算域的0.13%。采用Fluent Meshing软件对舰船进行非结构网格划分，对舰面部分进行边界层加密，保证边界层一致的前提下改变总体网格数约为136万，203万和306万，如图3所示，对舰船甲板Y=0 m截面X方向甲板上方2 m处的速度进行对比， 203万网格结果与136万结果相比，数值大小和起伏趋势均更加靠近306万网格结果，选择203万的网格数进行计算能够在保证一定精度的条件下节省计算资源。舰船表面网格如图4所示，边界层网格如图5所示。

2数值计算方法

为了更真实模拟舰船在海上的航行情况，对真实海况进行了调研。国际上通用“节（knot）”来描述海上航行速度， 1 kn=1 n mile/h=1.852 km/h，052D驱逐舰最大航行速度为32节，约为16  m/s，考虑日常海风速度，本文选择风向角为0°，风速为10 m/s和20 m/s的不同工况进行研究。

2.1流体控制方程

质量守恒方程在流体力学中用流体微团来分析流场［15］，利用质量守恒定律推导连续性方程的微分形式，流体微团内的质量保持不变。本文流动情况为定常不可压缩流动，数学表达式为：

·V=0（1）

由动量守恒定律表达，微分形式的动量方程为：

·（ρVV）=-p+ρf+·τ（2）

式中：V为速度；p为压强；ρ为密度；f为彻体力；τ为黏性应力。

2.2计算方法和边界条件

计算域流体为空气，密度为1.225 kg·m-3，黏度为1.789 4×10-5 kg·m-1·s-1。将舰船前方设置为速度进口（velocity-inlet）、舰船后方设置为压力出口（pressure-outlet）总压为0 Pa、舰船下方设置为滑移壁面（wall）、船体设置为无滑移壁面（wall）、左右边界和舰船上方均为壁面（wall），参考压强为101 325 Pa。采用压力基稳态求解器，湍流模型为SST的 k-ω 模型，压力速度耦合求解采用Coupled算法，空间离散格式均采用二阶迎风格式，残差收敛标准为10-5。

3结果分析

3.1流场云图

图6给出了舰船受到0° 风向角下10 m/s风速的静压云图。从图6可以看出，舰船前端的迎风面受到的压力最大，尾部甲板后沿存在部分高压区域，受到上层建筑的影响，上游机库左侧尖角处压力偏大，右侧尖角处压力偏小。

图7给出了舰船在10 m/s风速下舰船纵向对称截面处的速度流线图和动压分布图。从图7可知，受舰船上层建筑物的干扰，舰船建筑物后的流场较为混乱，且速度较低，未对着舰甲板流场造成影响。受机库台阶影响，出现了明显的气流剪切层带动甲板内侧气流的运动，导致了低速回流区的出现。在机库上方和甲板后部动压较大，此时的速度较快，此处作业的直升机可能受到较大的冲击速度，对直升机的平稳飞行造成影响。

图8和图9分别为10 m/s和20 m/s舰船尾部着舰甲板处的截面速度云图，两侧气流基本呈对称分布，上部下冲气流主要冲击在甲板中心，导致低速区域主要集中于此，在甲板尾部后段未受到下冲气流影响，低速区域消失，舰船尾流底部受到甲板下冲的尾流和舰船侧面流过的空气叠加形成左右两个漩涡。

3.2监测线数据

为精确监测甲板上方的速度分布，在舰船甲板上方设置了15根监测线，测线布置如图10所示。选择从机库位置开始到甲板末端结束，Y向3种距离分别为 -4.375 m，0 m和 +4.375 m，沿Z向间隔1 m 由下至上的监测线编号为line-1，line-2，…line-5。最终得到 0° 风向角下10，20 m/s两种工况下不同截面位置的速度分布图（图11-图16）。

由图12可知，在靠近机库处存在速度波动，除了高度最高的line-5以外，高度越低，速度变化幅度越大，在远离机库处高度越低，速度越低。高度最高的Line-5在靠近机库位置处速度也较高。Line-1和Line-5所导致的速度较高原因不一致，Line-1是由于下沖气流在甲板上分散，机库位置产生回流；Line-5是由于两侧机库高度较低，此处靠近机库上部的剪切气流。图11和图13分别对应了舰船甲板的左舷和右舷，左右两侧的速度分布不具有对称性，流动状态应为瞬时状态，左舷在靠近甲板处速度变化比右舷变化更加剧烈。由图14和图16可知，20 m/s的工况下左舷和右舷截面分布与10 m/s时的变化趋势大致相同，左舷变化幅度比10 m/s工况的变化幅度略小。图15和图12的变化基本一致，距离机库越近，速度变化越剧烈，且距离甲板越近，速度变化幅度越大。由图11-图16可知，在相同的离库距离下，高度越高速度越高，受到机库和甲板的影响越小。

综上所述，导致气流变化的主要原因是气流受机库和甲板的壁面干扰。气流流经机库时甲板近机库位置的动压小于上方气流的动压，带动机库角落气流向上运动形成漩涡，而后顺着上方主气流继续向后流动冲击到甲板上向四周分散。两种风速条件下的速度变化均和距离机库的距离和距离甲板的高度有关，距离机库越远、距离甲板越高，速度受到的干扰程度越低。

3.3舰船三维流线

图17-图19是0° 风向角20 m/s风速下舰首的三维流线图、上层建筑三维流线图和舰尾三维流线图。

从图17可知，舰船正面来流流经前方台阶面发生气流分离，导致在台阶上部形成一圈环流区，之后向四周流动扩散。从图18可知，受舰船上层建筑物结构复杂的影响出现大量复杂的漩涡，且大多速度较低。从图19可知，上层建筑形成的漩涡并未对着舰甲板气流造成影响，甲板位置的漩涡主要由机库上部的剪切层所带动。

4结论

对052D驱逐舰在0° 风向角10 m/s和20 m/s风速下舰船绕流流场进行了数值模拟分析，得到以下结论：（1）由于舰首部分和上层建筑都是钝体结构，导致气流极易与附着面脱离形成漩涡。（2）舰尾部分的流场主要受机库高度的影响，较高的机库高度导致后方的气流流速整体降低，但回流区速度变化不大。（3）舰船绕流问题是非定常问题，采用定常算法求解只能得到大致的趋势变化。（4）在不同来流风速条件下，机库后方的速度分布规律基本一致，均表现为甲板纵向对称面整体速度较低，两侧速度较高。（5）舰船尾部气流主要由机库上方的下冲气流和机库后方的低速回流区组成，且基本不受舰船前方的上层建筑影响，两个主要气流是舰载直升机起降需要面临的主要问题。

参考文献

［1］任荣生， 孙建红， 卢森林. 舰船模型后甲板流场特性研究［J］. 南京航空航天大学学报， 1994， 26（5）： 621-627.

［2］BROWNELL C， LUZNIK L， SNYDER M， et al. Velocity measurements in a ship airwake with crosswind［C］∥Proceedings of the 42nd AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit. Reston， Virigina： AIAA， 2012： AIAA2012-2851.

［3］陆伟，顾蕴松. 军舰尾流场特性及其控制［C］∥中国力学学会流体力学专业委员会实验流体力学专业组，浙江理工大学机械与自动控制学院.第九届全国实验流体力学学术会议论文集（上册）. 2013： 222-228.

［4］陆伟. 舰尾飞行甲板流场特性及流动控制研究［D］. 南京： 南京航空航天大学， 2014.

［5］刘航， 赵维义. 直升机载舰空气尾流特性试验方法［J］. 流体力学实验与测量， 2002， 16（4）： 57-63.

［6］CHENEY B T. CFD code validation data and flow topology for the technical cooperation program AER-TP-2 simple frigate shape ［M］. National Research Council Canada， Institute for Aerospace Research， 1999.

［7］ZAN S J. Surface flow topology for a simple frigate shape［J］. Canadian Aeronautics and Space Journal， 2001， 47（1）：33-43.

［8］孫文胜. 直升机舰载起降环境的气动特性仿真［J］. 系统仿真学报， 2003， 15（2）： 254-256.

［9］孙文胜， 林明. 基于神经网络模型的舰面流场仿真算法［J］. 中国工程科学， 2003， 5（5）： 76-79， 91.

［10］马鸿儒， 孙文胜， 穆志韬， 等. 直升机-舰动态配合的舰面流场环境研究综述［J］. 装备环境工程， 2014， 11（5）： 75-80， 86.

［11］HE S H， LIU D Y， TAN D L. Comparison of various spatial discretization schemes in numerical simulation for ship airwakes［J］. Applied Mechanics and Materials， 2014， 627： 63-68.

［12］SYMS G F. Simulation of simplified-frigate airwakes using a lattice-Boltzmann method［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2008， 96（6/7）： 1197-1206.

［13］ZHANG F， XU H， BALL N， et al. Numerical simulation of unsteady flow over SFS2 ship model［C］∥ 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition， Orlando， Florida， 2009.

［14］黄刚， 程蒙， 梁仍康， 等. 静止舰船与旋翼干扰流场的数值模拟［J］. 西南科技大学学报， 2021， 36（1）： 85-92.

［15］闫再友， 陆志良， 王江峰. 空气动力学［M］. 北京： 科学出版社， 2018： 33-44.