大型船舶空氣尾流場特性的綜合分析

蘇軾鵬，吳 明，金良安

(海軍大連艦艇學院 航海系，遼寧 大連 116018)

0 引 言

大型船舶空氣尾流場是航行時受上層建筑、船體運動以及海洋大氣邊界層等的影響，在船體周圍和尾部附近產(chǎn)生的復雜氣流擾動，會危及飛機海上降落安全。據(jù)美國安全中心統(tǒng)計，受空氣尾流場的影響，飛行員海上降落過程中遇到生命危險的概率遠高于民航飛行員、陸基飛行員及宇航員等其他類型的飛行員[1]。所以，大型船舶空氣尾流場的相關研究一直是備受關注的熱點問題之一[2]。目前大型船舶空氣尾流場的主要研究方法普遍采用以計算流體力學（CFD）數(shù)值模擬為主，以實驗測量進行驗證，幾種方法互相補充配合。在CFD研究中，常用的方法包括雷諾平均Navier-Stokes方程（RANS）、大渦模擬（LES）、直接數(shù)值模擬（DNS）、脫體渦模擬（DES）等[3-11]。

目前對大型船舶空氣尾流場的研究已經(jīng)越來越精細化，不斷趨近于空氣尾流場的實際規(guī)律特性。但是還存在一些問題，包括：對大型船舶空氣尾流場中直接影響飛機海上降落的下滑道氣流場關注不夠；CFD數(shù)值模擬、實驗結果與實際的工程化模型的對比研究還較少；從防治角度開展的空氣尾流特性研究較少。鑒于此，本文從現(xiàn)實需求出發(fā)，增加下滑道氣流場的分析，開展大型船舶空氣尾流場的CFD數(shù)值模擬、實驗等方法的綜合分析，從防治角度研究空氣尾流場的特性。首先采用基于雷諾平均方法（RANS）的Spalart-Allmaras模型（簡稱SA模型）對整個大型船舶空氣尾流場進行全面數(shù)值模擬分析，然后針對理想工況條件對下滑道氣流場從CFD數(shù)值模擬、實驗結果以及美軍標MIL-F8785C等角度進行綜合分析。在傳統(tǒng)研究方法的基礎上加入現(xiàn)有工程化模型進行綜合分析，更貼近工程應用層面。為大型船舶空氣尾流場的防治提供參考依據(jù)。

1 方法與模型

1.1 基本控制方程

N-S方程由連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程組成，用來描述粘性流體的運動。不同過程則主要由邊界條件和初始條件來區(qū)別，其矢量形式如下式[12]：

根據(jù)Stokes假設，由于本文討論的是航母周圍的空氣流動為均質不可壓縮運動，即▽ρ=0、▽V=0，加上不考慮熱交換問題，可忽略能量守恒方程，所以控制方程可轉化為：

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；V為速度矢量，m/s；f為體積力矢量，m/s2；P為作用于流體面上的應力；E為單位質量流體所具有的總能量；k為流體導熱系數(shù)，W/（m·K）；T為溫度，K；S為能量源項，W/m3。

1.2 基于雷諾平均方法的SA模型

SA模型的提出是為了改善代數(shù)混合長度模型模擬的結果，發(fā)展適用于復雜流動模擬的、提供比兩方程湍流模型更簡單的模型[13]。SA模型的應變量在近壁處與離壁面的距離有線性變化關系，所以使用SA湍流模型時在壁面附近不需要采用非常精細的網(wǎng)格，只需與代數(shù)湍流模型相當?shù)木W(wǎng)格即可。因而SA模型具有計算消耗小、魯棒性好等優(yōu)點。

SA湍流模型表達式[14]為：

式中：v? 為湍流場變量；uj為j方向的速度分量；d是場中某點到最近壁面的距離；xi和xj為笛卡爾坐標矢量；v= μ/ρ為分子運動粘度； ρ 是流體密度； μ 是分子動力學粘度。

1.3 計算模型及工況設置

1.3.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采用某型大型船舶實際尺度模型[15]經(jīng)過平滑處理后作為幾何模型。同時為了模擬大型船舶在海上漂浮的狀態(tài)，去掉了原模型水線以下部分（如圖1所示），由于不考慮海浪的影響，將處理后的船底水平面作為下邊界。整個計算域尺寸 1 400 m×450 m×220 m，內(nèi)計算域尺寸為 340 m×70 m×100 m。網(wǎng)格采用三維六面體結構多面體網(wǎng)格，船體附近采用加密網(wǎng)格，近壁面采用標準壁面函數(shù)。邊界條件設置如圖1所示。

圖1 大型船舶幾何模型Fig.1 Large-scale ship geometry model

1）入口邊界面，位于大型船舶模型船頭正對一個船長L位置的平面，選用速度入口邊界類型，u=U，v=w= 0，其中U為來流速度；

2）出口邊界面，位于大型船舶模型船尾正對3個船長L位置的平面，選用壓力出口邊界類型；

3）壁面邊界，船體表面為無滑移壁面，上下左右邊界設置為滑移壁面。

1.3.2 工況設置

大型船舶空氣尾流場模擬的工況主要是甲板風（WOD）風向角和風速的設置。設航向即船頭正對方向為0°，順時針為正。研究表明甲板風平行于飛機降落的斜角甲板時為最安全的海上降落環(huán)境，而斜角甲板中線與船體中線成7°夾角，所以此時甲板風風向角為-7°。此外再考慮大型船舶完全頂風，即0°角，以及右舷15°受風的情況，在此范圍之外，側向風過于顯著，不適合飛機海上降落，故不予考慮（見圖2）。甲板風風速采用 9 m/s，12 m/s以及 15 m/s，一共 9 種工況?？刂泼孢x取包括水平面、縱向垂直剖面與橫向垂直剖面3種，各選取有代表性的控制面。運行計算的迭代步數(shù)超過1 000步，使計算完全收斂。

圖2 甲板風風向角Fig.2 Direction of WOD

2 計算結果分析

計算結果包括速度場和流線分布，通過對不同工況條件下空氣尾流場進行對比分析，選出其中流場品質最佳的情況，并與實驗測量結果以及美軍標MIL-F-8785C進行對比分析。

2.1 速度場及流線分析

速度場包括速度標量場和速度矢量場2種情況。由圖3可知，速度標量場中甲板以下船尾附近存在著一個明顯的低速區(qū)，對應矢量場（見圖4）中水平方向為一對近似對稱的渦旋，而垂直剖面方向為一個垂直方向的大渦旋區(qū)，流線分析有相似的特征（見圖5）。這是空氣尾流場中最明顯、面積最大的渦旋區(qū)，是大型船舶尾部下沉氣流的主要來源，會對飛機海上降落產(chǎn)生影響。所以也是防治研究的重點區(qū)域。幾種工況下這一特征是相似的，同時也存在一些差異，主要表現(xiàn)在：1）船尾渦旋區(qū)在風向角不同的情況下其位置與流場結構有一定差異，-7°與0°的流場結構較接近，而15°在接近船尾附近區(qū)域的下沉氣流分量更加明顯；2）在相同風向角下，風速越大渦旋越明顯，12 m/s和15 m/s在船尾附近的下沉氣流更明顯（見圖4（a））。

圖3 船尾的速度標量場（甲板風風向角-7°，風速 15 m/s）Fig.3 Velocity scalar field near stern (WOD: -7°, 15 m/s)

圖4 風向角為-7°甲板風風速為 15 m/s船尾的速度矢量場Fig.4 Velocity vector field near stern (WOD: -7°, 15 m/s)

圖5 流線分析Fig.5 Streamline analysis

在甲板以上，船尾部渦旋區(qū)消失，而上層建筑后部的氣流擾動出現(xiàn)（見圖6，以甲板風為12 m/s時距甲板3m處水平面為代表，其他幾種情況略）。對比3種風向角可以分析得到，在15°風向角時島后部氣流擾動最明顯，并對甲板后半部及船尾區(qū)域產(chǎn)生明顯的影響，速度梯度較大，而-7°與0°兩種風向角下上層建筑后部氣流擾動的影響偏弱，其中-7°時速度場分布最均勻，速度矢量場及流線的特征與之相似（圖略）。在以往的研究中大多只關注船尾氣流特征，而對上層建筑后部氣流擾動的關注不夠。從飛機海上降落安全角度出發(fā)，船尾部的渦旋區(qū)以及上層建筑后部的氣流擾動區(qū)都是大型船舶空氣尾流場防治研究中需要重點關注的區(qū)域。文獻[16]中將其界定為一個次級空氣尾流場，即“上層建筑空氣尾流場”，也是防治研究的對象之一。

圖6 甲板風速 12 m/s甲板上方 10 m 處的速度標量場Fig.6 Velocity scalar field on the surface of 10 m above deck

綜上分析，甲板風風向角為-7°時空氣流場是最理想的工況條件，適于作為飛機降落的最佳條件。而對飛機影響最直接的部分是下滑道氣流場，是重點關注的區(qū)域。需提取空氣尾流場中下滑道區(qū)域數(shù)值計-算結果，并對比前期的實驗測量[16]結果與工程化模型美軍標MIL-F-8785C“雄雞尾流”模型做綜合分析。

2.2 下滑道空氣尾流場特性研究

下滑道是飛機海上降落所經(jīng)過的航跡線，在水平方向與斜角甲板中線重合，垂直方向與水平面呈3.5°夾角。大型船舶空氣尾流場對飛機海上降落安全的影響集中體現(xiàn)在下滑道氣流場的特征上。但是國內(nèi)的研究大多對這一重點區(qū)域重視不足。尤其是在數(shù)值模擬、實驗結果與現(xiàn)有國外工程化標準對比的綜合研究較少，缺乏實用性的研究結論，所以難以形成我國的標準化模型。國外工程化模型的代表是美軍標MIL-F-8785C，其中穩(wěn)態(tài)分量即“雄雞尾流”模型是目前研究的參考依據(jù)。在CFD計算結果中提取下滑道區(qū)域，結合文獻[16]的實驗結果，三者做對比分析，實驗數(shù)據(jù)與CFD數(shù)值模擬數(shù)據(jù)均為-7°甲板風風向角條件。分析中取為海上降落點到船尾一個船長的下滑道區(qū)域。根據(jù)美軍標MIL-F-8785C，分成水平分量和垂直分量。水平分量的方向是與下滑道向一致的方向，垂直分量是豎直方向。

2.2.1 水平分量的對比分析

水平分量的對比分析如圖7所示（以15 m/s為例），三者分析的大體趨勢一致，12 m/s和15 m/s情況下在船尾到200 m左右范圍內(nèi)CFD值總體上小于實驗測量值與美軍標MIL-F-8785C的水平分量，在200～300 m三者值比較接近。其中低速條件下，即9 m/s情況三者整體上較為接近，而在甲板風速度較大條件下，CFD計算的風速在下滑道不同區(qū)域的空間分布差異逐漸顯現(xiàn)出來，說明CFD計算結果能反映出下滑道氣流場水平分量的細節(jié)特征，而在美軍標MIL-F-8785C中由于工程應用的需要，濾掉了一些細節(jié)特征，實驗測量由于取的是平均值，同樣會濾掉風的變化。總體上三者趨勢相近，都反映出水平風在飛機海上降落過程中，沿下滑道飛行時相對于海面一直處于順風狀態(tài)，在距船尾250 m及更遠處下滑道氣流場水平分量在逐漸減小，250 m附近達到最小，而后逐漸增大。在總體相同趨勢中有局部的差異，美軍標MILF-8785C中顯示的是線性增大，實驗結果在增大過程中有一定的變化，但總體趨勢增大，而CFD計算結果變化復雜，在增大的總體趨勢中有局部的復雜變化。這是從另外一個角度反映大型船舶空氣尾流場特性。

圖7 大型船舶下滑道空氣尾流場3種結果的對比Fig.7 Compare of three results of large-scale ship airwake

2.2.2 垂直分量的對比分析

下滑道氣流場中的垂直分量的影響比水平分量更大。由三者垂直分量的對比分析可知，總體趨勢實驗測量結果與CFD計算結果更接近，而與美軍標MIL-F-8785C的垂直分量差別較大，具體表現(xiàn)在以下兩點：1）實驗與CFD的下氣流最顯著區(qū)位置相比美軍標MIL-F-8785C距離船尾部更近，在船尾到30 m的范圍內(nèi)，而后者的計算結果在距船尾60～70 m之間；2）船尾后氣流由下沉向上升轉變的速度變化，實驗和CFD結果比美軍標MIL-F-8785C更平緩。此外，三者有一個明顯的相似之處：在位于船尾后部150 m附近都存在一個從下沉氣流到上升氣流的轉換區(qū)，由于垂直分量的方向變化，正是下滑道氣流場中氣流變化最明顯的區(qū)域，從CFD計算、實驗測量和美軍標MILF-8785C三個角度都證明了這個區(qū)域的存在。說明飛機海上降落中，在距船尾150 m以外，一直受垂直上升氣流的影響，在經(jīng)過150 m的位置后轉為垂直下沉氣流，在船尾附近達到最大，美軍標MIL-F-8785C顯示為距船尾70 m附近，實驗為距船尾30 m處，最接近船尾，為10 m處。綜合分析，在工程應用中可將船尾后10～70 m都作為下沉氣流顯著區(qū)域，是飛機海上降落需關注的重點區(qū)域之一，也是防治的重點對象及防治效果的衡量標準之一。這樣就將研究的結果轉化為實際的工程指標。

3 結 語

本文采用國際上常用的以CFD方法為主、以實驗驗證為輔，并結合工程化標準的新型研究方法綜合分析了適用于工程化應用和防治的大型船舶空氣尾流場特性，可為工程應用以及防治研究提供參考。研究中得到了大型船舶空氣尾流場的總體特征，也分析了下滑道氣流場的特征以及對飛機海上降落影響最大的氣流轉換區(qū)和下沉氣流顯著區(qū)的位置。在此基礎上分析大型船舶空氣尾流場防治所應關注的重點區(qū)域。主要結論包括：

1）大型船舶空氣尾流場最明顯的特征是船尾甲板下方存在明顯的渦旋區(qū)，水平方向為一對近似軸對稱的渦旋，垂直縱向剖面上是一個明顯的渦旋，不同風向角和風速下略有不同。這是空氣尾流場最明顯的氣流擾動區(qū)域，是防治的重點區(qū)域。

2）經(jīng)CFD計算結果分析上層建筑后部氣流擾動對船尾部氣流的影響明顯，其中在-7°風向角下影響最小，在15°風向角下影響最大。這是傳統(tǒng)研究所忽略的部分，同時也是空氣尾流場防治所需關注的重要部分。

3）大型船舶下滑道氣流場的計算結果與實驗、美軍標MIL-F-8785C對比分析表明：下滑道氣流場中在距船尾150 m處存在氣流轉換區(qū)，船尾10～70 m存在下沉氣流顯著區(qū)，飛機海上降落過程中最應重視這2個區(qū)域。在大型船舶空氣尾流場防治研究中，這2個區(qū)域是防治效果重要的參考評估指標。

大型船舶空氣尾流場研究的最高目標是實現(xiàn)改變其結構、消除其影響的防治技術，本文研究的大型船舶空氣尾流場規(guī)律特性可為其防治技術提供參考和研究支撐，并可在此基礎上加入海浪、氣候變化等其他海洋大氣環(huán)境因素的空氣尾流場特征。