艦船空氣尾流場特性數(shù)值研究.pdf

1、艦船屬于復(fù)雜形狀的鈍體結(jié)構(gòu)，其非流線型的艦島、機(jī)庫等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的空氣尾流不可避免地伴隨著分離、再附、旋渦脫落等復(fù)雜的湍流流動現(xiàn)象。這種因海況、艦船形狀及其六自由度運(yùn)動等因素而異的復(fù)雜艦船空氣尾流場環(huán)境迫使艦載機(jī)在非理想狀態(tài)下進(jìn)行起降，并嚴(yán)重威脅艦載機(jī)及飛行員的安全。另外，艦船空氣尾流場中的湍流會增加飛行員的工作負(fù)荷和艦載機(jī)旋翼及機(jī)身的疲勞，減少艦載機(jī)的工作壽命。目前，艦船空氣尾流場是體現(xiàn)機(jī)艦適配性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素，其特性參數(shù)是用于計(jì)算艦載

2、直升機(jī)安全起降包線的重要依據(jù)，對艦船空氣尾流場的準(zhǔn)確預(yù)測可為艦載機(jī)的安全起降提供保障。早期，艦載機(jī)安全起降包線主要通過耗時耗力且昂貴的實(shí)船飛行測試來制定，近年來隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)在艦船空氣尾流場預(yù)測中得到越來越廣泛的應(yīng)用。深入研究艦船空氣尾流場數(shù)值計(jì)算方法，對提高尾流場預(yù)測精度，優(yōu)化艦船設(shè)計(jì)以及保障艦載機(jī)、艦船及飛行員的安全具有重要意義。
　　論文基于CFD理論用ANSYS FLUENT軟件對

3、艦船空氣尾流場進(jìn)行了全尺寸的仿真計(jì)算，并對貼壁立方體、典型護(hù)衛(wèi)艦簡化模型SFS、美國塔拉瓦級通用兩棲攻擊艦LHA-1、尼米茲級喬治·華盛頓號核動力航空母艦CVN-73及某實(shí)體驅(qū)逐艦XA尾流場特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。主要目的是確定適合于艦船空氣尾流場數(shù)值模擬的湍流模型及網(wǎng)格劃分方法，在此基礎(chǔ)上研究不同甲板風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向、大氣邊界層條件及艦船幾何特征對尾流場特性的影響。
　　首先，通過對比不同湍流模型與不同精度網(wǎng)格結(jié)合下的貼壁立方體尾流場，

4、論文得出了適用于貼壁立方體尾流場研究的經(jīng)濟(jì)高效的計(jì)算方法為SKE模型和W-F網(wǎng)格的結(jié)論。論文將SKE模型與W-F網(wǎng)格推廣到SFS空氣尾流場CFD計(jì)算中，并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中艦船表面及脫體物理量進(jìn)行了對比，結(jié)果證明論文CFD計(jì)算很好地預(yù)測了SFS空氣尾流場中的特征。另外，研究還表明基于USKE與DES-SA模型的瞬態(tài)計(jì)算尤其是DES-SA模型能有效提高尾流場的預(yù)測精度，但其計(jì)算成本較高，在計(jì)算資源有限的前提下，不適用于工程中數(shù)據(jù)密集型大規(guī)模的計(jì)

5、算。
　　然后，論文對比了相同布局的結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)和混合網(wǎng)格下SFS的空氣尾流場特性，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格類型對SFS空氣尾流場影響較小。而劃分由邊界層網(wǎng)格、金字塔網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格和棱柱形網(wǎng)格由內(nèi)到外合理銜接組成的混合網(wǎng)格的工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于劃分全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的工作量，且混合網(wǎng)格數(shù)量僅是全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)量的80％，在網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算精度之間混合網(wǎng)格是非常好的折衷選擇，其在三種網(wǎng)格類型中的性價(jià)比最高。經(jīng)驗(yàn)證，基于混合網(wǎng)格的LHA-1、CVN-73

6、和XA尾流場計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好，這再次證明了混合網(wǎng)格在艦船空氣尾流場計(jì)算中的適用性。
　　另外，論文研究了艦船空氣尾流場特性隨風(fēng)條件（甲板風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向，大氣邊界層等因素）的變化規(guī)律，研究表明艦船空氣尾流場隨甲板風(fēng)速的變化規(guī)律符合雷諾數(shù)獨(dú)立性原則，這一規(guī)律表明對于感興趣的風(fēng)向角只需要計(jì)算一個風(fēng)速即可，因此有效減少了艦船空氣尾流場研究中的工作量。但隨風(fēng)向角的變化艦船空氣尾流場會發(fā)生劇烈改變，對于感興趣的風(fēng)向角工況必須逐一進(jìn)

7、行計(jì)算，通過對比分析，論文認(rèn)為0°～±15°的風(fēng)向角范圍是適合艦載機(jī)起降操作的較理想風(fēng)向角。對大氣邊界層條件的研究表明，大氣邊界層條件中的速度梯度及湍流特性對艦船空氣尾流場的影響不可忽略，其中速度梯度會降低入口處流動動能的輸入，湍流特性會減小流場中的速度梯度。
　　最后，論文研究了不同艦船幾何結(jié)構(gòu)下的空氣尾流場特性，對帶有機(jī)庫的后置飛行甲板型艦船，研究了其機(jī)庫門狀態(tài)、機(jī)庫高度、機(jī)庫側(cè)面過渡弧度、機(jī)庫頂部傾角及飛行甲板長度對艦載機(jī)操

8、作區(qū)流場的影響，得出了可改善尾流場環(huán)境的機(jī)庫及飛行甲板參數(shù)。采用綜合優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，0°和15°風(fēng)向角的空氣尾流場均得到了有效改善，且改善效果比單獨(dú)優(yōu)化某一結(jié)構(gòu)時更加明顯。對具有全通型飛行甲板的艦船，論文研究了船首加裝的導(dǎo)流板對艦載機(jī)操作區(qū)流場的影響，并得出了導(dǎo)流板最佳安裝角。
　　論文的研究充分證明SKE模型和混合網(wǎng)格能精確預(yù)測艦船空氣尾流場特性，解決了復(fù)雜艦船的網(wǎng)格劃分問題，明確了風(fēng)條件和艦船結(jié)構(gòu)對艦船空氣尾流場特性的影響，且研究