正向来风速度对航母起降跑道甲板风影响的大涡模拟

袁书生, 张旭东, 董可海

(海军航空工程学院,山东 烟台 264001)

正向来风速度对航母起降跑道甲板风影响的大涡模拟

袁书生, 张旭东, 董可海

(海军航空工程学院,山东 烟台 264001)

采用低速气流运动控制方程组和湍流大涡模拟方法,研究了正向来风不同速度对航母甲板风的影响,得到了不同风速下甲板上方、艏艉对称面附近、较低高度处压强和垂向速度随时间的变化关系。来风风速对起飞跑道上方压强的影响主要是其时均值,对脉动幅度和随着时间呈均匀随机脉动变化的规律影响不大。在起飞跑道的大部分长度上,垂向速度的时均值和脉动幅度并不随着来风风速单调增加。越靠近起飞点,出现下洗速度的时间越长,速度值越大。来风风速对降落跑道上方压强时均值和脉动幅度的影响均较大,并出现了压强大尺度脉动随着时间周期性变化的规律,压强脉动幅度随着来风风速的增加而增加。在整个降落跑道上,垂向速度随着时间变化均出现了周期性规律。越靠近降落起点,变化周期越小,出现下洗速度的时间越长,速度值越大。

航空母舰; 甲板风; 大涡模拟; 风速影响

1 引 言

航母舰载机起降是一个非常复杂的问题。舰载机起飞和降落过程中,航母甲板风对其运动具有很大的影响,尤其是甲板低场风的脉动特性。从安全起降角度看,该区域的甲板风应具有尽可能高的压强,流动参数的脉动尽可能的低。

国内外对航母甲板风开展了一些研究,初期以试验为主[1],航母体型庞大,只能采用风洞进行模型试验。实际上风洞模型试验具有难以克服的难题[2]:一是舰船模型需要缩小100倍以上,从而在风洞中保证相似雷诺数的流动条件难以建立;二是全尺寸舰船风扰动频率远大于风洞内模型,试验结果不能真实反映舰船甲板风的瞬间特性。故后来人们多采用数值模拟方法,彭兢[3]利用工程湍流模型,研究了舰载飞机进舰着舰过程中航空母舰尾流的影响。贲亮亮[4]利用雷诺平均湍流模型,研究了不同来风风速和风向角条件下,舰载飞机进舰轨迹上的流场特性。Polsky[5]采用层流假设模拟,但通量利用MILES(Monotone Integrated Large Eddy Simulation)进行了湍流修正,研究了航母甲板风特性。Czerwiec[6]利用雷诺平均湍流模型,模拟了已有的风洞模型航母试验,并进行了对比检验。这些方法对航母甲板风时均值的模拟精度,基本上符合一般工程需求,但所得信息量仍不能满足新型舰船设计的更多实际需要,尤其是不能得到较为准确的大尺度脉动量随着时间变化规律。

湍流大涡模拟相对于雷诺平均模拟,具有计算量适中、信息量较多的优点,为了减少计算成本和进一步提高计算精度,本文应用低速气流运动控制方程组和动力学亚格子模型,对正向不同来风风速引起航母甲板风变化进行了大涡模拟,研究了来风风速引起甲板低场内流动行为变化的特殊性。

2 大涡模拟控制方程组

大气绕流航母是一个典型的冷态、低速空气流动问题。为了减小计算量,考虑到气流速度较低,可采用低马赫数假设[7],将气流压强分解为背景压强和速度诱导压强之和:

(1)

采用描述无化学反应、无辐射、低速气体流动的湍流瞬时控制方程组描述大气运动,应用盒式滤波器作Favre滤波运算,假设:

可得到大涡模拟的控制方程组[7]为:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

对亚格子湍流应力和热流通量分别采用Deardorff亚格子模型[8]和涡扩散模型[9]进行模拟,并采用Werner-Wengle壁模型进行近壁区修正[10]。

在交错网格系上将上述大涡模拟控制方程组离散,时间上采用显式的二阶精度的预测-校正格式,空间上采用二阶精度的差分格式,对流项则采用基于Superbee通量限制器的TVD格式,扩散项则采用中心差分格式。压强Poisson方程(5)采用方法快速傅里叶方法(FFT)直接求解。计算中,考虑大气分层[11]。

3 模拟对象与工况参数

本文选取图l所示的计算域,长400m、宽300m、高100m。航母模型位于计算域垂直对称面(y=0)上,甲板前沿距离计算域入口30m。航母模型选取与美国“企业”号近似的外形,甲板长340m、宽78m,距离水面20m,舰岛采用长宽高分别为20m、12m、20m立方体代替,其几何中心距离甲板前沿206m。

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计算中不考虑海浪的影响,假设海面为水平的固体壁面。在计算域入口(x=0),给定风速,出口和垂直侧面采用自由边界条件,上表面采用滑移边界条件。在各坐标方向上分别采用均匀网格划分,网格结点数目取为400×300×100。计算时间取为100s,时间步长由CFL数确定。本文的计算采用大涡模拟软件FDS6.1进行[11,12]。计算中不考虑舰体与空气之间的热交换。取海面处大气温度为20℃,温变率为-0.005K/m。计算时保持正向来风风向不变,速度u0分别取为15m/s、20m/s、25m/s和30m/s。

4 结果分析与讨论

计算结果表明t=80s后均达到了时均稳定。航母舰载机的起降是在甲板上方较低区域内进行,本文仅研究了艏艉面附近、高度较低位置的风特性。后面提到的时均值为t=80s-100s的平均结果。

图1 计算区域与航母模型示意图Fig.1 Sketch map of simulated region and modeled carrier

图2为航母艏艉中心线右侧5m、距离舰首5m、甲板高度2m位置处的压强和垂向速度随着时间变化及时均值和脉动随着来风风速的变化,该位置接近舰载机离舰点。由图看出,该点处压强均为正值,来风风速对该压强的影响主要体现在时均值上,在随时间变化规律和脉动幅度上差异不大,压强随时间变化均呈现均匀随机脉动的规律,脉动幅度均较小。压强时均值和脉动幅度随着来风风速均接近线性规律增加。不同来风风速下,该点垂向速度随着时间变化均接近均匀脉动,并均为正值;垂向速度时均值随着来风风速也接近线性增加,而脉动幅度随着来风风速增加先增大、后减小,且来风风速为30m/s时垂向速度脉动幅度较速度为15m/s时要小。

图3给出了航母艏艉中心线右侧5m、距离舰首50m、甲板高度2m位置处的压强和垂向风速随着时间变化及时均值和脉动随来风风速变化,该位置接近起飞跑道中间点。由图看出,来风风速对该压强的影响与图2基本一致,即来风风速对该压强的影响与舰载机起飞点差异不大,同一来风风速下时均压强略有增加。来风风速对该点垂向速度的影响与图2差异明显,该点垂向速度随时间出现了接近周期性的大尺度变化规律,并出现了瞬间负值,即下洗速度,但来风风速大小对变化周期影响不大,均接近10s;来风风速对该垂向速度时均值和脉动幅度影响差异不明显,但是该点垂直速度时均值并不随着来风风速单调变化,为减小-增加-再减小过程,脉动幅度值随来风风速增加,为增加-减小规律,在来风风速为25m/s时为最大。垂向速度时均值与平均脉动幅度值大小接近。

图2 航母中心线右侧5m、距舰首5m、甲板高2m处的压强与垂向风速(p为瞬时压强,为时均压强,p′为脉动压强,为瞬时垂向滤波速度,W为时均垂向滤波速度,w′为脉动垂向速度，下图同)Fig.2 The pressure and vertical velocity at the position of 2m high over deck,5m away from the bow and 5m on theright side of the central line of the aircraft carrier

图3 航母中心线右侧5m、距舰首50m、甲板高2m处的压强与垂向风速Fig.3 The pressure and vertical velocity at the position of 2m high over deck,50m away from the bow and 5m on theright side of the central line of the aircraft carrier

图4 航母中心线右侧5m、距舰首100m、甲板高2m处的压强与垂向风速Fig.4 The pressure and vertical velocity at the position of 2m high over deck,100m away from the bow and 5m on theright side of the central line of the aircraft carrier

图4给出了航母艏艉中心线右侧5m、距离舰首100m、甲板高度2m位置处的压强和垂向风速随时间变化及时均值和脉动随来风风速变化,该位置接近起飞点。由图看出,来风风速对该压强和垂向速度的影响与图3基本一致,即该点垂向速度变化规律及压强的变化规律、时均值和脉动幅度随来风风速的变化,与舰载机起飞跑道中间点一致;垂向速度时均值与脉动幅度值及随来风风速变化规律,也与舰载机起飞跑道中间点的接近,略有减小,但来风风速对该点时均速度值的变化规律影响不同,随着来风风速增加,为增加-减小-再增加过程。

图5给出了航母艏艉中心线上、距离舰尾5m、甲板高度4m位置处的压强和垂向风速随着时间变化及时均值和脉动随来风风速变化,该位置接近降落起点。由图看出,该时均压强尽管比起飞跑道上的要高,但是差值不是很大,不过压强脉动幅度却明显增加,且来风风速越大,压强脉动幅度越高;压强随着时间出现了接近周期性的大幅度变化特点,周期接近10s,但来风风速对该周期影响不大。来风风速对该点垂向速度的影响非常明显,当然主要是对其时均值和脉动幅度上。对所计算的四个工况,其时均值均为负值,且随来风风速增加,具有先减小、后增加的趋势;垂直速度脉动幅度不仅明显地大于时均值的绝对值,而且随着来风风速具有增加的趋势。无论来风风速多大,该点垂向速度随着时间均出现了接近周期性的大尺度变化规律,但来风风速大小对变化周期影响不大,均接近3s。

图6给出了航母艏艉中心线左侧5m、距离舰尾90m、甲板高度2m位置处的压强和垂向风速随着时间变化及时均值和脉动随来风风速变化,该位置接近降落跑道中间点。由图看出,来风风速对该位置压强的影响与图5的基本一致,即来风风速对该点压强影响的特点与着舰点差异不大,但是同一来风风速下的时均压强略有减小,脉动幅度也略有减小。来风风速对该点垂直速度的影响主要表现在时均值和脉动幅度上,其时均值均为正值,且随来风风速单调地增加,垂向速度的脉动幅度小于其时均值,也随来风风速单调地增大。与着舰点垂向速度变化特点相比,该垂向速度大尺度脉动的周期有所增加,约为7s。来风风速变化没有改变该垂向速度随着时间出现的接近周期性的大尺度变化规律和周期值,只是当来风风速较小时,垂向速度一直保持正值,而来风风速较大时,出现了瞬间负值,即下洗速度。

图5 航母中心线上、距舰尾5m、甲板高4m处的压强与垂向风速Fig.5 The pressure and vertical velocity at the position of 4m high over deck,5m away from the bow and on of the central line of the aircraft carrier

图6 航母中心线左侧5m、距舰尾90m、甲板高2m处的压强与垂向风速Fig.6 The pressure and vertical velocity at the position of 2m high over deck,90m away from the bow and 5m and on the left side of the central line of the aircraft carrier

5 结 论

本文采用低速气体流动控制方程组和湍流大涡模拟方法,保持迎面来风风向不变,对不同来风速度下航母低场甲板风进行了数值模拟研究,得到如下结论:

(1) 来风风速对起飞跑道上方压强的影响主要是其时均值,对其脉动幅度的影响不大,且数值均较小,对压强随着时间呈均匀随机脉动变化的规律影响也不大。

(2)在起飞跑道的前半段,当来风风速较小时,其时均值绝对值比脉动幅度大,而当来风风速较大时,其脉动速度超过了时均值;在起飞跑道的后半段,无论来风风速大小如何,其时均值绝对值均比脉动幅度大。

(3)在起飞跑道的大部分长度上,垂向速度的时均值和脉动幅度并不随着来风风速单调增加;越靠近起飞点,出现下洗速度的时间越长,下洗速度也与越大。在起飞跑道的末端附近,垂向速度随着时间变化呈现均匀分布的脉动,而在起飞跑道的大部分长度上,垂向速度的大尺度脉动随着时间出现了接近周期性变化规律,来风风速大小对其变化周期影响不大。

(4) 来风风速对降落跑道上方压强的时均值影响较大,对其脉动幅度的影响也明显,并出现了压强大尺度脉动随着时间周期性变化的规律,随着来风风速的增加,压强的脉动幅度增加。

(5) 在降落跑道的前半段,其时均值绝对值远比脉动幅度小,且时均值多为负值,并不随着来风风速增加单调变化,而其脉动幅度却随着风速单调增加;在起飞跑道的后半段,无论来风风速大小如何,其时均值绝对值均接近脉动幅度,时均值和脉动幅度均不随着风速单调变化。

(6)在整个降落跑道长度上,垂向速度随着时间变化均出现了周期性规律,越靠近降落起点,变化周期越小,出现下洗速度的时间越长,下洗速度也越大。来风风速大小对其变化周期影响不大。

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袁书生 男(1963-),河北武邑人,教授,从事湍流多相流与燃烧研究。

张旭东 男(1978-),山东文登人,博士,从事固体火箭发动机相关研究。

Large Eddy Simulation to the Effect of Wind Speed on Wind OverDeck of Takeoff and Landing Runway of Aircraft Carrier

YUANShusheng,ZHANGXudong,DONGKehai

(Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,China)

The control equations of air flow with lower velocity and the large eddy simulation method of turbulent flows are used to study the effect of different head-on wind speeds on the wind over deck of aircraft carrier.The variety process of pressure and vertical velocity of air flow with time are conducted at some positions at lower height,close to the bow-stern symmetric plane and over the deck of aircraft carrier for different wind speeds.The speed of head-on wind mainly affects the time-averaged value of pressures at the position over the take-off airstrip,but the effect on the fluctuated scope of pressures and the effect on the variety law of pressure with time are little.In most length of take-off airstrip the time-averaged value and fluctuated scope of vertical velocity donot increase monotonously with the speed of head-on wind.The closer it gets to the take-off point,the longer the time of down-wash and the larger the speed of down-wash.The head-on wind speed has more effect on the time-averaged and fluctuated values of pressure at the position over the runway,the periodic large scale change of pressure with time appears,the fluctuated scope of pressure increases with the speed of head-on wind.On the entire landing airstrip the vertical velocity changes with time periodically.The closer it gets to the landing point,the smaller the change cycle is.The longer the time of down-wash is,the bigger the vertical speed is.

aircraft carrier;wind over deck;large eddy simulation;effect of wind speed

U 674.771

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