舰船空气尾流场特性数值研究

发布时间：2020-08-17 20:00

【摘要】：舰船属于复杂形状的钝体结构,其非流线型的舰岛、机库等结构产生的空气尾流不可避免地伴随着分离、再附、旋涡脱落等复杂的湍流流动现象。这种因海况、舰船形状及其六自由度运动等因素而异的复杂舰船空气尾流场环境迫使舰载机在非理想状态下进行起降,并严重威胁舰载机及飞行员的安全。另外,舰船空气尾流场中的湍流会增加飞行员的工作负荷和舰载机旋翼及机身的疲劳,减少舰载机的工作寿命。目前,舰船空气尾流场是体现机舰适配性能优劣的关键因素,其特性参数是用于计算舰载直升机安全起降包线的重要依据,对舰船空气尾流场的准确预测可为舰载机的安全起降提供保障。早期,舰载机安全起降包线主要通过耗时耗力且昂贵的实船飞行测试来制定,近年来随着计算机和数值模拟技术的发展,计算流体动力学(CFD)在舰船空气尾流场预测中得到越来越广泛的应用。深入研究舰船空气尾流场数值计算方法,对提高尾流场预测精度,优化舰船设计以及保障舰载机、舰船及飞行员的安全具有重要意义。论文基于CFD理论用ANSYS FLUENT软件对舰船空气尾流场进行了全尺寸的仿真计算,并对贴壁立方体、典型护卫舰简化模型SFS、美国塔拉瓦级通用两栖攻击舰LHA-1及尼米兹级乔治·华盛顿号核动力航空母舰CVN-73的尾流场特性进行了系统研究。主要目的是确定适合于舰船空气尾流场数值模拟的湍流模型及网格划分方法,在此基础上研究不同甲板风风速、风向、大气边界层条件及舰船几何特征对尾流场特性的影响。首先,通过对比不同湍流模型与不同精度网格结合下的贴壁立方体尾流场,论文得出了适用于贴壁立方体尾流场研究的经济高效的计算方法为SKE模型和W-F网格的结论。论文将SKE模型与W-F网格推广到SFS空气尾流场CFD计算中,并与风洞实验中舰船表面及脱体物理量进行了对比,结果证明论文CFD计算很好地预测了 SFS空气尾流场中的特征。另外,研究还表明基于USKE与DES-SA模型的瞬态计算尤其是DES-SA模型能有效提高尾流场的预测精度,但其计算成本较高,在计算资源有限的前提下,不适用于工程中数据密集型大规模的计算。然后,论文对比了相同布局的结构、非结构和混合网格下SFS的空气尾流场特性,计算结果发现网格类型对SFS空气尾流场影响较小。而划分由边界层网格、金字塔网格、四面体网格和棱柱形网格由内到外合理衔接组成的混合网格的工作量远远小于划分全结构化网格的工作量,且混合网格数量仅是全非结构化网格数量的80%,在网格数量和计算精度之间混合网格是非常好的折衷选择,其在三种网格类型中的性价比最高。经验证,基于混合网格的LHA-1和CVN-73尾流场计算结果与风洞实验结果吻合很好,这再次证明了混合网格在舰船空气尾流场计算中的适用性。另外,论文研究了舰船空气尾流场特性随风条件(甲板风风速、风向,大气边界层等因素)的变化规律,研究表明舰船空气尾流场随甲板风速的变化规律符合雷诺数独立性原则,这一规律表明对于感兴趣的风向角只需要计算一个风速即可,因此有效减少了舰船空气尾流场研究中的工作量。但随风向角的变化舰船空气尾流场会发生剧烈改变,对于感兴趣的风向角工况必须逐一进行计算,通过对比分析,论文认为0°～15°的风向角范围是适合舰载机起降操作的较理想风向角。对大气边界层条件的研究表明,大气边界层条件中的速度梯度及湍流特性对舰船空气尾流场的影响不可忽略,其中速度梯度会降低入口处流动动能的输入,湍流特性会减小流场中的速度梯度。最后,论文研究了不同舰船几何结构下的空气尾流场特性,对带有机库的后置飞行甲板型舰船,研究了其机库门状态、机库高度、机库侧面过渡弧度、机库顶部倾角及飞行甲板长度对舰载机操作区流场的影响,得出了可改善尾流场环境的机库及飞行甲板参数。采用综合优化结构后,0°和15°风向角的空气尾流场均得到了有效改善,且改善效果比单独优化某一结构时更加明显。对具有全通型飞行甲板的舰船,论文研究了船首加装的导流板对舰载机操作区流场的影响,并得出了导流板最佳安装角。论文的研究充分证明SKE模型和混合网格能精确预测舰船空气尾流场特性,解决了复杂舰船的网格划分问题,明确了风条件和舰船结构对舰船空气尾流场特性的影响,且研究了大气边界层条件对其特性的影响。论文的研究成果为舰船空气尾流场的研究提供了经济高效的数值方法,同时可为舰船的优化设计及改造提供参考,为直升机安全操作包线的制定和固定翼飞机的安全着舰提供理论依据。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.70
【图文】：

航母战斗群,舰载机

．Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ａｉｒｃｒａｆｔ邋ｃａｒｒｉｅｒ邋ｂａｔｔｌｅ邋ｇｒｏｕｐ逡逑航母战斗群是舰载机的海上起降平台，其主要攻击力量是舰载机，舰载机在舰起降尤其是安全降落问题（图１．２）已经成为世界性技术难题，因为舰船不同于陆除了总体尺度小以外，它要随风浪进行不规则的摇摆运动，加之舰面建筑物一般属于流线型，这会对飞行甲板附近区域的气流产生强烈扰动，形成复杂的空气尾流场［８］。

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武器系统则是海军最强大的战斗武器系统，战争时期，它是夺取制海权的有力工具，和逡逑平时期，它是显示国家海上力量的有效手段［７］。一艘航空母舰一般需要数艘驱护舰、攻逡逑击舰、巡洋舰、补给舰等舰船护航，组成如图１．１中所示的航母战斗群编队。逡逑图ｉ．ｉ航母战斗群逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ａｉｒｃｒａｆｔ邋ｃａｒｒｉｅｒ邋ｂａｔｔｌｅ邋ｇｒｏｕｐ逡逑航母战斗群是舰载机的海上起降平台，其主要攻击力量是舰载机，舰载机在舰船上逡逑起降尤其是安全降落问题（图１．２）已经成为世界性技术难题，因为舰船不同于陆地，逡逑除了总体尺度小以外，它要随风浪进行不规则的摇摆运动，加之舰面建筑物一般属于非逡逑流线型，这会对飞行甲板附近区域的气流产生强烈扰动，形成复杂的空气尾流场［８］。尾逡逑流中的小尺度涡会使直升机旋翼产生震动，较大尺度的涡将影响旋翼的性能，并且不论逡逑对于直升机还是固定翼飞机而言，尾流场都使得发动机进气减少，进而减小发动机推力，逡逑增加飞行员的工作负荷。尤其是在高风速、恶劣海况、舰船运动、低能见度等情况下，逡逑空气尾流会对舰载机的起降安全产生致命威胁［９］。从２０世纪７０年代起

三维问题,计算网格

图２．１三维问题的计算网格逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｃａｌｃｕｌｔｉｏｎ邋ｍｅｓｈ邋ｏｆ邋ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｐｒｏｂｌｅｍ逡逑用计算机进行求解，需要将描述物理问题的微分方程转化成，该方程组中包含有该节点及附近相邻节点上所求函数的值，。论文中利用直角坐标下舰船空气尾流场的连续性方程来说

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