上层建筑形式及布局对舰船空气流场的影响

洪伟宏 姜治芳 王 涛

1中国人民解放军海军装备部，北京100073

2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

上层建筑形式及布局对舰船空气流场的影响

洪伟宏1姜治芳2王 涛2

1中国人民解放军海军装备部，北京100073

2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

舰船上层建筑是诱发舰船舰面空气湍流的主要因素，对于具有全通飞行甲板的舰船，其岛式上层建筑的外形及布置则出现了多样化的趋势，对迎风方向后方的气流场形态势必会产生影响。为了解上层建筑外形及布局形式的变化对舰船空气流场，尤其是对舰载机起降影响的初步规律，通过定常同等试验工况条件下，建立多种形式的上层建筑以及变化研究模型上层建筑纵向的布置位置的数值三维模型，对5种模型分别进行数值模拟计算，分析和观察由此产生的气流场变化，对计算结果进行取值分析。通过各模型及原型舰模型间气流场特性的对比，所得出的有关结论与目前实际的舰船产品所采用的布置形式决策是一致的。

空气流场；上层建筑布置；影响评估；舰船

1 引言

舰船空气流场的变化取决于很多因素，其中，舰船上层建筑的形式与布置对迎风方向的气流场形态的影响一直是备受关注的课题。在船宽方向空间有限的情况下，上层建筑的纵向布置位置的较大幅度变化以及不同外形对舰船空气流场的影响程度，本文以LHA两栖攻击舰作为参考［1］，建立了不同上层建筑布局和外形的舰船模型进行同等实验工况条件下的数值模拟计算，并通过对计算数值结果和图像显示对各方案的气流场特性进行了比较和评估。

2 上层建筑布置位置变化对气流场的影响

根据已有文献，本文选定美国海军LHA两栖攻击舰为基本模型，该舰为典型的全通甲板右岛结构，对观察舰面空气流场形态提供了便利。由于在对原型舰气流场相关计算中发现，该舰的岛式上层建筑为垂直多面体形式，顿体效应明显，对飞行甲板区域的气流场会产生较明显的影响［2］，因此本文在不改变其他布置形式的情况下，通过前／后移动岛式上层建筑的纵向位置分别建立数值模型，模型比例为1／120。LHA型舰飞行甲板及上层建筑布置［3，4］，如图1所示。

图1 LHA型舰飞行甲板及上层建筑布置图

图1中，LHA舰上层建筑位于飞行甲板中间位置，飞行甲板共划分有9个起降点供直升机［5］或AV－8B短距／垂直起降战斗机进行起降作业［6］，左舷起降点基本按照30.4 m间距等距排列，其中箭头所指为该舰的两个典型起降点。舰首处为2号起降点，上层建筑附近为7号起降点，本文将在数值计算中将他们作为主要取值区域。

考虑到移动的幅度过大或过小实际意义不大，岛式上层建筑一般不布置在左舷，在参考国外全通甲板舰船布置形式后本文以一个起降点间距为移动幅度，分别以前移／后移30.4 m、模型移动距离0.26 m建立两个方案模型。利用ANSYS ICEM进行网格划分。随后在ANSYS CFX中设定来流甲板风速30 kn（15.432 m／s）、0°和±15°风向角等3种工况下进行数值模拟计算。以下是对计算结果的分析。

根据LHA搭载舰载机的基本气动性能，考虑到气流场对飞机起降作业的影响结合简单的评估方法，本文对各方案中2号、7号起降点区域的横向垂直速度分布进行了取值，并与LHA原型布置方案的计算结果进行对比。首先对2号起降点取值结果进行分析。

2.1 2号起降点区域结果分析

前移上层建筑方案3种工况下2号起降点垂直速度分量，后移上层建筑方案3种工况下2号起降点垂直速度分量分别如图2、图3所示。

由图2、图3可知，2号起降点受上层建筑位置变化的影响极小，所取数值基本重合。这是由于2号起降点位于甲板前部，即使在前移方案中也与上层建筑相隔一个起降点的距离，其数值也没有明显变化。

2.2 7号起降点区域结果分析

为了详细分析7号起降点区域在不同方案时的气流状态，引入针对LHA舰载机起降的垂直速度分量极限值0.837 5 m／s进行衡量，并在相应图表中标出。

图2 前移上层建筑2号起降点与原型布置位置垂直速度分量对比

前移上层建筑方案3种工况下7号起降点垂直速度分量如图4所示。

由于上层建筑远离7号起降点区域，在0°风向角时垂直速度值有所下降，右舷一侧速度值跃变点减少，气流速度有连续变化的趋势。±15°时的气流变化则比原型舰更趋平稳。

图3 后移上层建筑2号起降点与原型布置位置垂直速度分量对比

图4 前移上层建筑7号起降点与原型布置位置垂直速度分量对比

后移上层建筑方案3种工况下2号起降点垂直速度分量如图5所示，上层建筑后移使7号起降点左舷区域被遮蔽，因此在0°、－15°时右舷部分的垂直速度值出现明显跃变，＋15°时的垂直速度值的变化趋势更为缓和。

图5 后移上层建筑7号起降点与原型布置位置垂直速度分量对比

2.3 三维流线图像对比分析

为更加直观地了解各方案的气流场状况，本文还结合CFX生成的三维流线图像（图6）进行了分析。

图6显示了0°风向角时两种方案甲板附近高度的气流流线形态，由于后移方案使上层建筑较晚“干扰”来流，使飞行甲板前段区域的气流较为平顺；前移方案虽然减缓了上层建筑后部气流的变化趋势，但是由于其提前产生了湍流，对整个后甲板区域的气流干扰也是十分明显的。其他工况下的三维气流图像与所取数值的变化规律基本吻合，由于篇幅限制这里不再赘述。

3 上层建筑小型化对舰船空气流场的影响

在对LHA原型舰模型进行气流场模拟计算时发现，该舰岛式建筑尺寸为51.3 m×12.16 m［3］，长宽比4.2，相对宽大，对其附近区域的气流场干扰较为明显。而该型后续舰LHD“黄蜂”级两栖攻击舰虽然船体进一步放大，飞行甲板加长达7 m，其上层建筑尺寸却明显减为49.4 m×10.64 m［7］，且较LHA型上层建筑瘦长。这种设计除了加大了舰面可用面积之外，是否也改善了上层建筑附近及后方的气流场环境将是本文的一个入手点。为了形成明显的对比，本文在LHA型舰体上采用了一个原型上层建筑尺寸0.8比例的小型化上层建筑并建立模型。

本文在ANSYS ICEM中建立1／120数值模型并划分网格，导入CFX中进行计算。按照30 kn定常来流（15.432 m／s），0°、±15°风向角统一工况对各方案进行分析，后文分析计算中也将采用相同计算条件。取值区域选定为上层建筑后方的7号起降点区域［3，4］，根据气流场评估的简单方法将引入0.837 5 m／s的垂直速度限制值辅助分析。

小型化上层建筑模型与原型数值模型如图7所示。图8为7号起降点垂直速度分量。由图8可见，当上层建筑尺寸明显减小后，甲板区域以内的气流速度分布总体趋于平稳，在±15°工况下低于极限垂直速度的取值点增加，穿宽方向上适于起降的范围也相应增大。

图7 小型化上层建筑与LHA原型舰数值模型图

图8 小型化上层建筑与原型舰7号起降点区域垂直速度分量图（深色线处为0.837 5 m／s）

4 大长宽比上层建筑对舰船空气流场的影响

同时，本文还发现LHD上层建筑的长宽比（L／B）较LHA原型舰上层建筑的长宽比有较明显增加，达4.6。本文设想在LHA上层建筑的基础上进一步加大长宽比，以观察气流场是否会有明显变化。为此，将长宽比等差放大至5.0，即尺寸为53.2 m×10.64 m，其计算结果取值图如图9所示。

如图9所示，经过与原型长宽比4.2的上层建筑所得数值的对比，可以发现加大长宽比在15°风向角时的垂直气流速度分布有一定改善，甲板范围内船宽方向上的垂直速度值明显下降，但0°、－15°工况下的变化并不明显。

图9 大长宽比上层建筑与原型舰7号起降点区域垂直速度分量图（深色线处为0.837 5 m／s）

5 带弧面上层建筑对舰船空气流场的影响

除了加大长宽比可以改变气流场状态之外，也注意到顿体效应主要是由上层建筑各平面间的直角联接方式引起的［8，9］。考虑到国外舰艇多有采用带弧面的上层建筑形式的设计［10］，本文在LHA原型上层建筑的基础上在前后端面以直径等宽的圆弧面替代垂直面，对带弧面上层建筑进行数值计算。带弧面上层建筑数值模型如图10所示。

图10 带弧面上层建筑的数值模型

计算后所得各工况垂直速度分量值如图11所示。图11显示在0°风向角时，带弧面上层建筑后方气流垂直速度值跃变程度远高于原型上层建筑，而＋15°时垂直速度值分布在左舷一侧趋于平稳，0°、－15°时的垂直速度值则在右舷上层建筑后方出现散点。

图11 带弧面上层建筑与原型舰7号起降点区域垂直速度分量图（深色线处为0.837 5 m／s）

图12显示了带弧面上层建筑与原型上层建筑模型在＋15°风向角时的三维流线对比图像，由于弧面上层建筑外形起到了一定的整流作用，弧面上层建筑的后方流线没有出现明显发散，使得该工况下的速度变化趋势较为平稳，这与上文的数值显示是一致的。

图12 带弧面上层建筑模型与原型上层建筑模型＋15°风向角三维流线图

6 各方案气流场特性的简单评估

综合以上分析，本文根据各个方案的数据结果绘制了前移／后移上层建筑2号、7号起降点区域的起降限制扇面，由于2号起降点与原型方案基本相同，后续上层建筑外形变化方案仅反映7号起降点的区别。

图13显示了上层建筑移动后与原型舰在7号起降点区域的起降扇面分布，可以发现上层建筑后移使得7号起降点的可起降范围明显减少，前移对0°风向角时该区域的可起降区域有所扩大，其他角度的改善则不显著。

图14显示了3个上层建筑外形变化方案起降扇面图，可以观察到小型化的可起降范围有所加大，大长宽比方案和带弧面上层建筑方案在15°工况时的可起降范围有一定增加，带弧面上层建筑方案并未改善7号起降点区域针对短距／垂直起降舰载机的气流场适用性，反而在0°和－15°工况下的起降扇面有所减小。

7 结束语

综上所述，在仅讨论舰面气流场特性的前提下，岛式上层建筑靠前的舰船可以改善后部甲板的气流场环境。而岛式上层建筑靠后的舰船则可以扩大前部甲板适宜舰面作业的范围，但是对上层建筑附近和后方区域的气流场则会产生明显的干扰，对搭载短距／垂直起降飞机的舰船影响不大，但是对需要从后半球进行着舰作业的舰船是不利的。这也是目前一些轻型航母采用靠后上层建筑的原因，在总体布置其他因素限制了上层建筑的位置时，则需要通过改变其尺寸和外形来改善气流场状况，本文通过对多个上层建筑外形方案进行对比计算发现，减少上层建筑尺寸可以较明显地改善上层建筑附近区域的舰船空气流场特性。加大上层建筑长宽比则在15°工况下有明显改善。带弧面的上层建筑在15°工况下左舷甲板部分的垂直速度值有所下降，且对飞行甲板后方气流起到了一定的整流作用，但

图13 前移／后移上层建筑与原型舰起降限制扇面对比图（非阴影部分为原型舰扇面）

图14 小型化、大长宽比、带弧面上层建筑方案7号起降点起降扇面图（非阴影部分为原型舰起降扇面）

对于以短距／垂直起降方式为主的舰船没有太大的改良意义。由于使用的是较简单的评估方法，在有限计算工况下所能论证的深度和范围是有限的。要对舰船空气流场的相关特性和规律有更详细的掌握还必须在数据和理论支持上做更进一步的探索。

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Influence on Air-wake with Different Layout of Ship Superstructure

Hong Wei－hong1Jiang Zhi－fang2Wang Tao2
1 The Equipment Department of PLAN，Beijing 100073，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The ship's superstructure is a primary factor that would causes turbulence in the air，and it is sure to change the ship＇s air－wake when the layout of these structures has been changed.This paper has simulated five different layout arrangements for a number of conditions，attempted to identify the influences to the ship＇s air－wake，especially to the taking－off／landing for the ship－based aircrafts.The evaluation was made based on the simulation results.Those analyses verified the real layout decisions of some STOVL ships.

air－wake；layout of superstructure；impact evaluation；ship

U663.6

A

1673－3185（2009）02－53－06

2008-11-24

洪伟宏（1972－），男，工程师，工学硕士。研究方向：船舶工程

姜治芳（1965－），女，研究员，硕士生导师。研究方向：舰船总体设计与优化