上层建筑结构对甲板流场影响的数值研究

钟兢军，耿 雪，孙 鹏，叶正华，高 瑞

(1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连116026;2.中国船舶工业集团公司 第七〇八研究所，上海200011)

0 引 言

舰船上层建筑容纳并承担了各种电子信息装备、天线、机电设备等，对舰船的整体性能起着决定性的影响［1-2］。上层建筑是诱发甲板空气湍流的主要因素［3］，风掠过有锐缘钝体作用的上层建筑时，产生陡壁体效应，在其后方形成无风区、涡流区、紊流区等。因此，上层建筑结构形式对甲板空气流场的影响研究对新型舰船的研制设计以及现有舰船的改装设计都有重要意义，同时也为舰船、舰载机体系作业提供可靠的安全保证。

2002年，美国海军航空系统司令部开始以“塞班”号为平台，结合实船测量和风洞试验数据，利用CFD 计算工具来预报“塔拉瓦”级具有岛式上层建筑的舰船上层建筑引起的空气流场特性［4］。2007年，英国CVF 项目设计团队开始对CVF 及现役的“无敌”级航母进行CFD 建模，以对CVF的气流场特性进行研究并与现有船型进行对比。这是航母开发设计领域首次在新型号开发过程中建立气流场数值模型［5］。顾蕴松、洪伟宏［6-7］等以美国LHA 型舰船1/120的缩比模型为基本模型，研究了舰岛位置和尺寸对甲板气流场的影响，并分析了对短距离/垂直起降舰载机可能产生的影响。陆超、姜治芳等通过对美国LHA 型舰缩比模型的数值建模，结合2 种舰载机起降的气流场限制条件对计算结果进行对比分析。在相同的定常来流工况下，分别以±15°风向角对该型舰数值模型的2个起降点进行模拟取值，结合直升机和固定翼短距/垂直起落飞机的起降特性和气流限制条件，尝试提出一种评估舰船气流场特性的直观方法，并得出不同甲板气流区域受上层建筑影响的有关结论［8-10］。

对于具有全通飞行甲板的船体，其岛式上层建筑的结构形式及尺寸出现了多样化的趋势，对迎风方向后方的气流场产生影响，进而影响甲板工作单元。为了解上层建筑结构及尺寸对甲板流场，尤其是对直升机起降影响的初步规律，本文对4 种模型进行数值模拟，结合直升机起降标准，对比分析上层建筑结构对甲板流场的影响。

1 数值计算方法

1.1 计算模型及网格

上层建筑结构形式如图1所示，定义λ 为上层建筑宽度与船宽的比值，主要针对宽度为λ=0.21和λ=0.24的2 种上层建筑结构形式的船型开展研究。

图1 两种上层建筑结构形式Fig.1 Superstructure types

计算域选取遵循阻塞率限定，即保证XY 平面内的阻塞率约为0.5%，YZ 面阻塞率约为0.5%，XZ 面阻塞率约为1.84%，如图2所示。考虑到整体网格数较多，所以将计算域分为3个部分:船体周围是重点求解和分析的区域，因此网格较密;其他2个区域网格较疏。通过对上层建筑及甲板附近网格进行加密(见图3)进行网格无关性验证，最终确定网格数为2 630 000个。为验证数值计算的合理性，进行缩比船模风洞试验与原型船模的数值仿真计算，具体比较结果参见文献［11］。

图2 计算域分区Fig.2 Computational domain

图3 上层建筑表面网格分布Fig.3 Superstructure mesh

1.2 边界条件

计算中气流速度设定为20 m/s，求解0°、右舷15°和左舷15°来风条件下的流场结构。边界定义如图4所示:“上面”和“前面”设为速度入口，“后面”设为压力出口，“下面”、甲板及上层建筑定义为壁面边界，“左面”和“右面”则视风向不同设置为速度进口或速度出口。流体设为不可压理想气体。进口给定来流速度，出口设为标准大气压，进出口的流动方向按照不同风向条件分别设置。计算域下面和船体表面均设为无滑移壁面。使用基于密度法显示求解器进行求解，湍流模型选用标准k-ε双方程模型，Courant 数设为0.8，离散化各项均设为2 阶迎风格式。

图4 边界条件Fig.4 Boundary definition

2 计算结果分析

为了分析上层建筑对甲板流场的影响，将甲板分为6个区域，如图5所示。假定直升机起降时旋翼中心位于各区域中央，分别截取沿首尾方向(Y方向)和舷方向(X 方向)的截面，其中X2和X2截面的交线经过直升机旋翼中心;Y3截面靠近舷侧，X3截面为船尾一侧。各区域坪对应的Y 方向截面重合。

图5 分析截面示意图Fig.5 Sketch map of study section

2.1 上层建筑对甲板上方气流速度分布的影响

研究表明，对直升机起降过程影响较大的是下冲气流和涡流区。以甲板流场中气流速度沿Z轴分量Vz为负值的范围作为评判气流场好坏的判据，来讨论4 种上层建筑结构对甲板气流场的影响。Vz为负值的范围小或其影响到的甲板范围小，则该气流场品质较高，相应的上层建筑结构较合理。

图6～图8所示为0°、右舷15°、左舷15°风向时4 种上层建筑结构船型的下冲气流分布。由图可见，下冲气流区域可分为3个部分:1)气流绕流船首甲板形成的“首区下冲气流”;2)气流绕流上层建筑在下风向区域形成的“建筑下冲气流”;3)气流绕流船尾甲板形成的“尾区下冲气流”。其中“建筑下冲气流”区影响范围最大，即上层建筑是引起下冲气流的主要因素。

0°风向时， “建筑下冲气流”主要集中在上层建筑附近，对甲板及建筑后方流场影响较小; “首区下冲气流”对1 号位有些影响，但范围不大;“尾区下冲气流”仅影响到船后小部分区域，对甲板流场没有影响。0°风向时，各结构对应的“建筑下冲气流”范围略有差异，λ=0.24 对应的“建筑下冲气流”影响范围略大于同结构λ=0.21的情况，即主建筑宽度增加使得上层建筑后的下冲气流范围增加。

图6 风向0°下冲气流影响区域Fig.6 3D distribution of downwash flow with 0°wind

图7 风向右舷15°甲板下冲气流影响区域Fig.7 3D distribution of downwash flow with the starboard wind

图8 风向左舷15°甲板下冲气流影响区域Fig.8 3D distribution of downwash flow with the portside wind

右舷15°风向时，各上层建筑结构对应的流场十分相近:3个部分的下冲气流区融合在一起，使甲板1～6 号区域都受到下冲气流影响;“建筑下冲气流”使3～6 号区域沿船舷和船高方向都受到严重影响;1 号和2 号区域下冲气流主要为“首区下冲气流”，因而舷向范围较大而船高方向影响较小。此风向条件时，上层建筑结构引起的流场差异不明显。

左舷15°风向时，1 号区域受到“首区下冲气流”影响，4 种方案受影响范围基本一致;“建筑下冲气流”对甲板区域没有影响;气流绕流甲板右舷在右舷附近形成小范围的下冲气流区。主建筑结构变化对流场结构的影响明显。

除0°风向外，其余风向都使上层建筑迎风截面积增加，从而使绕流区增加，下冲气流范围增加。右舷风向时，绕流区经过甲板区域，因而使得甲板流场恶化;而左舷风向时，上层建筑引起的“建筑下冲气流”不流经甲板，因而对甲板流场没有影响。

图9 给出不同风向时，上层建筑结构I 型，主建筑宽度λ=0.24的Y2截面的速度等值线分布。0°风向时，“首区下冲气流”对1 号区域的影响范围为甲板上方8 m，船首30 m的范围内。右舷15°风向时，甲板上方都受到下冲气流的影响，结合前面的分析可知:1 号和2 号区域甲板上方16 m 内受到“首区下冲气流”影响。3 号区域上方20 m 内受到“建筑下冲气流”的影响，而4～6 号区域上方40 m 范围内都存在“建筑下冲气流”。这是因为上层建筑前端矮，绕流此处的气流流经3 号区域，受影响的高度范围低于受桅杆尾流影响的4～6 号区域。左舷15°风向时，1 号区域上方8 m 内受“首区下冲气流”影响，其余区域无下冲气流。但需要指出，此时甲板上方10 m 内沿高度方向的速度梯度变化较大，可能会对直升机俯仰飞行的平衡性造成一定影响。

图9 λ=0.24的I 型上层建筑对应的Y2 截面速度等值线Fig.9 Velocity contour on Y2 with superstructure type I and λ=0.24

2.2 上层建筑对甲板上方湍动能分布的影响

英国CAP437 标准规定直升机起降区域竖直方向速度的标准方差不能超过1.75 m/s。在CFD 数值模拟中若采用两方程模型，基于湍流应力各向同性的假设，则标准方差可采用湍动能k 来体现，即湍动能k 不大于4.59 m2/s2［12］。

图10～图12所示为不同风向Y2截面的湍动能云图，图中红色区域为湍动能超过4.59的危险区域。0°风向时，1 号和2 号上方10 m 范围内湍动能超出限制值，甚至影响到3 号区域部分范围，不同结构对应的湍动能分布相似。右舷15°风向时，1 号和部分2 号区域，4 号、5 号和部分6 号区域上方湍动能超过限制值。在船首附近，不同结构对应的湍动能超限区范围相近，因为该处湍动能变化主要源于船首结构的影响;而4～6 号区域湍动能分布因上层建筑结构不同而存在明显差异:I 型结构对应的高湍动能区小于II 型，宽度λ=0.21 对应的高湍动能区小于λ=0.24，显然I 型结构λ=0.21 对应的湍动能超限区范围最小。左舷15°风向时，只有1号区域上方湍动能超限，且不同上层建筑对应的湍动能分布相近。另外，船尾处高湍动能区对甲板上方没有影响。

图10 风向0°Y2 截面湍动能云图Fig.10 Turbulent kinetic energy contour on Y2 with 0°wind

图11 风向右舷15°Y2 截面湍动能云图Fig.11 Turbulent kinetic energy contour on Y2 with starboard wind

图12 风向左舷15°Y2 截面湍动能云图Fig.12 Turbulent kinetic energy contour on Y2 with portside wind

图13 分析位置示意图Fig.13 Sketch map of study section

图14 不同上层建筑对应的各区域上方5 m 处湍动能分布Fig.14 Turbulent kinetic energy distribution 5 meters above the analyzed zone

从前面的分析可知，1～2 号区域的高湍动能区和下冲气流区是气流绕流船首造成的，与上层建筑结构无关。只有3～6 号区域上方流场分布受上层建筑结构的影响。因此选取3 号、5 号和6 号区域进行研究。在各区域对应的X2截面上5 m 高度处沿船舷方向截取直线，如图13所示。这些直线上的湍动能沿舷向分布如图14所示。图中横坐标表示船的相对宽度，纵坐标表示湍动能。x=0.75 处直线表示直升机旋翼轴所在位置。图例中I和II 表示上层建筑结构类型，0.21和0.24 表示主建筑宽度，后面数字表示研究区域位置编号。从图中可以看出，0°风向时，除3 号区域靠近上层建筑一侧(x 值小的一侧)外，其余位置各结构方案对应的湍动能分布十分相近。仅在3 号区域上方存在湍动能较大区域，且越靠近上层建筑湍动能越大。上层建筑附近，相同舷向位置处，I 型0.24宽上层建筑对应的湍动能最大，II 型0.21 宽上层建筑对应的湍动能最小;且湍动能随着主建筑宽度增加而增大。

右舷15°风向时，3 号区域湍动能最低，但靠近建筑物一侧湍动能急剧增加。这是因为气流在上层建筑周围造成剧烈的速度脉动，但受风向的影响，这些紊乱的气流被带到下游其他区域，并没有影响到3 号区域。6 区域上方湍动能沿舷向变化较平缓，且在限制范围内。5 号区域各上层建筑方案对应的湍动能都超过极限值，并且在直升机旋翼轴左侧湍动能沿舷向维持较高值，变化平缓;而右侧湍动能逐渐减小。结合3 号位的分析及湍动能三维图(见图15)可知，上层建筑是造成气流紊乱的主要因素，但紊乱的气流是否对流场造成影响还取决于气流方向。本文研究中上层建筑引起的紊乱气流被带到5 号区域，使5 号位上方湍动能增加，同时紊乱气流在流动过程中逐渐减弱，并没有对左舷侧和6号区域造成太大影响。

图15 右舷15°风向湍动能云图Fig.15 Turbulent kinetic energy contour with starboard wind

3 结 语

本文采用数值模拟方法研究了不同风向条件下4 种上层建筑方案对应的甲板气流场，结合直升机起降标准，分析了风向、上层建筑结构对甲板上下冲气流和湍动能分布的影响，得到如下结论:

1)将船体及甲板周围的下冲气流按其成因分为“首区下冲气流”、“建筑下冲气流”和“尾区下冲气流”。除0°风向外，其余风向都使上层建筑迎风截面积增加，从而使绕流区增加，下冲气流范围增加。右舷风向时，绕流区经过甲板，从而影响直升机的起降。

2)上层建筑结构形式变化使建筑尾流区改变，从而影响其后的下冲气流范围;主建筑宽度增加，建筑后方下冲气流的范围越大。

3)湍动能高的区域必然存在下冲气流，但存在下冲气流的区域湍动能不一定超限。上层建筑是造成气流紊乱的主要因素，但紊乱的气流是否对流场造成影响还取决于气流方向。湍动能标准给出了具体的限制值，便于定量衡量;而速度梯度在研究中仅作为定性分析的参考。本文研究中λ=0.21的I 型建筑结构对应的甲板流场质量较好。

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