艦船空氣尾流場特性數(shù)值研究.pdf

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

2、直升機安全起降包線的重要依據(jù)，對艦船空氣尾流場的準確預測可為艦載機的安全起降提供保障。早期，艦載機安全起降包線主要通過耗時耗力且昂貴的實船飛行測試來制定，近年來隨著計算機和數(shù)值模擬技術的發(fā)展，計算流體動力學(CFD)在艦船空氣尾流場預測中得到越來越廣泛的應用。深入研究艦船空氣尾流場數(shù)值計算方法，對提高尾流場預測精度，優(yōu)化艦船設計以及保障艦載機、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、艦船空氣尾流場進行了全尺寸的仿真計算，并對貼壁立方體、典型護衛(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及某實體驅逐艦XA尾流場特性進行了系統(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格劃分方法，在此基礎上研究不同甲板風風速、風向、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格結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濟高效的計算方法為SKE模型和W-F網格的結論。論文將SKE模型與W-F網格推廣到SFS空氣尾流場CFD計算中，并與風洞實驗中艦船表面及脫體物理量進行了對比，結果證明論文CFD計算很好地預測了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)計算尤其是DES-SA模型能有效提高尾流場的預測精度，但其計算成本較高，在計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

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

6、和XA尾流場計算結果與風洞實驗結果吻合很好，這再次證明了混合網格在艦船空氣尾流場計算中的適用性。
　　另外，論文研究了艦船空氣尾流場特性隨風條件（甲板風風速、風向，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速的變化規(guī)律符合雷諾數(shù)獨立性原則，這一規(guī)律表明對于感興趣的風向角只需要計算一個風速即可，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，對于感興趣的風向角工況必須逐一進

7、行計算，通過對比分析，論文認為0°～±15°的風向角范圍是適合艦載機起降操作的較理想風向角。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構下的空氣尾流場特性，對帶有機庫的后置飛行甲板型艦船，研究了其機庫門狀態(tài)、機庫高度、機庫側面過渡弧度、機庫頂部傾角及飛行甲板長度對艦載機操

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