【摘要】：艦船屬于復(fù)雜形狀的鈍體結(jié)構(gòu),其非流線(xiàn)型的艦島、機(jī)庫(kù)等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的空氣尾流不可避免地伴隨著分離、再附、旋渦脫落等復(fù)雜的湍流流動(dòng)現(xiàn)象。這種因海況、艦船形狀及其六自由度運(yùn)動(dòng)等因素而異的復(fù)雜艦船空氣尾流場(chǎng)環(huán)境迫使艦載機(jī)在非理想狀態(tài)下進(jìn)行起降,并嚴(yán)重威脅艦載機(jī)及飛行員的安全。另外,艦船空氣尾流場(chǎng)中的湍流會(huì)增加飛行員的工作負(fù)荷和艦載機(jī)旋翼及機(jī)身的疲勞,減少艦載機(jī)的工作壽命。目前,艦船空氣尾流場(chǎng)是體現(xiàn)機(jī)艦適配性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素,其特性參數(shù)是用于計(jì)算艦載直升機(jī)安全起降包線(xiàn)的重要依據(jù),對(duì)艦船空氣尾流場(chǎng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可為艦載機(jī)的安全起降提供保障。早期,艦載機(jī)安全起降包線(xiàn)主要通過(guò)耗時(shí)耗力且昂貴的實(shí)船飛行測(cè)試來(lái)制定,近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)在艦船空氣尾流場(chǎng)預(yù)測(cè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。深入研究艦船空氣尾流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)提高尾流場(chǎng)預(yù)測(cè)精度,優(yōu)化艦船設(shè)計(jì)以及保障艦載機(jī)、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(duì)艦船空氣尾流場(chǎng)進(jìn)行了全尺寸的仿真計(jì)算,并對(duì)貼壁立方體、典型護(hù)衛(wèi)艦簡(jiǎn)化模型SFS、美國(guó)塔拉瓦級(jí)通用兩棲攻擊艦LHA-1及尼米茲級(jí)喬治·華盛頓號(hào)核動(dòng)力航空母艦CVN-73的尾流場(chǎng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。主要目的是確定適合于艦船空氣尾流場(chǎng)數(shù)值模擬的湍流模型及網(wǎng)格劃分方法,在此基礎(chǔ)上研究不同甲板風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向、大氣邊界層條件及艦船幾何特征對(duì)尾流場(chǎng)特性的影響。首先,通過(guò)對(duì)比不同湍流模型與不同精度網(wǎng)格結(jié)合下的貼壁立方體尾流場(chǎng),論文得出了適用于貼壁立方體尾流場(chǎng)研究的經(jīng)濟(jì)高效的計(jì)算方法為SKE模型和W-F網(wǎng)格的結(jié)論。論文將SKE模型與W-F網(wǎng)格推廣到SFS空氣尾流場(chǎng)CFD計(jì)算中,并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中艦船表面及脫體物理量進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果證明論文CFD計(jì)算很好地預(yù)測(cè)了 SFS空氣尾流場(chǎng)中的特征。另外,研究還表明基于USKE與DES-SA模型的瞬態(tài)計(jì)算尤其是DES-SA模型能有效提高尾流場(chǎng)的預(yù)測(cè)精度,但其計(jì)算成本較高,在計(jì)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(jì)算。然后,論文對(duì)比了相同布局的結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)和混合網(wǎng)格下SFS的空氣尾流場(chǎng)特性,計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格類(lèi)型對(duì)SFS空氣尾流場(chǎng)影響較小。而劃分由邊界層網(wǎng)格、金字塔網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格和棱柱形網(wǎng)格由內(nèi)到外合理銜接組成的混合網(wǎng)格的工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于劃分全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的工作量,且混合網(wǎng)格數(shù)量?jī)H是全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)量的80%,在網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算精度之間混合網(wǎng)格是非常好的折衷選擇,其在三種網(wǎng)格類(lèi)型中的性?xún)r(jià)比最高。經(jīng)驗(yàn)證,基于混合網(wǎng)格的LHA-1和CVN-73尾流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好,這再次證明了混合網(wǎng)格在艦船空氣尾流場(chǎng)計(jì)算中的適用性。另外,論文研究了艦船空氣尾流場(chǎng)特性隨風(fēng)條件(甲板風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)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(chǎng)隨甲板風(fēng)速的變化規(guī)律符合雷諾數(shù)獨(dú)立性原則,這一規(guī)律表明對(duì)于感興趣的風(fēng)向角只需要計(jì)算一個(gè)風(fēng)速即可,因此有效減少了艦船空氣尾流場(chǎng)研究中的工作量。但隨風(fēng)向角的變化艦船空氣尾流場(chǎng)會(huì)發(fā)生劇烈改變,對(duì)于感興趣的風(fēng)向角工況必須逐一進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)對(duì)比分析,論文認(rèn)為0°～15°的風(fēng)向角范圍是適合艦載機(jī)起降操作的較理想風(fēng)向角。對(duì)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(duì)艦船空氣尾流場(chǎng)的影響不可忽略,其中速度梯度會(huì)降低入口處流動(dòng)動(dòng)能的輸入,湍流特性會(huì)減小流場(chǎng)中的速度梯度。最后,論文研究了不同艦船幾何結(jié)構(gòu)下的空氣尾流場(chǎng)特性,對(duì)帶有機(jī)庫(kù)的后置飛行甲板型艦船,研究了其機(jī)庫(kù)門(mén)狀態(tài)、機(jī)庫(kù)高度、機(jī)庫(kù)側(cè)面過(guò)渡弧度、機(jī)庫(kù)頂部?jī)A角及飛行甲板長(zhǎng)度對(duì)艦載機(jī)操作區(qū)流場(chǎng)的影響,得出了可改善尾流場(chǎng)環(huán)境的機(jī)庫(kù)及飛行甲板參數(shù)。采用綜合優(yōu)化結(jié)構(gòu)后,0°和15°風(fēng)向角的空氣尾流場(chǎng)均得到了有效改善,且改善效果比單獨(dú)優(yōu)化某一結(jié)構(gòu)時(shí)更加明顯。對(duì)具有全通型飛行甲板的艦船,論文研究了船首加裝的導(dǎo)流板對(duì)艦載機(jī)操作區(qū)流場(chǎng)的影響,并得出了導(dǎo)流板最佳安裝角。論文的研究充分證明SKE模型和混合網(wǎng)格能精確預(yù)測(cè)艦船空氣尾流場(chǎng)特性,解決了復(fù)雜艦船的網(wǎng)格劃分問(wèn)題,明確了風(fēng)條件和艦船結(jié)構(gòu)對(duì)艦船空氣尾流場(chǎng)特性的影響,且研究了大氣邊界層條件對(duì)其特性的影響。論文的研究成果為艦船空氣尾流場(chǎng)的研究提供了經(jīng)濟(jì)高效的數(shù)值方法,同時(shí)可為艦船的優(yōu)化設(shè)計(jì)及改造提供參考,為直升機(jī)安全操作包線(xiàn)的制定和固定翼飛機(jī)的安全著艦提供理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：U674.70
【圖文】：

．Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ａｉｒｃｒａｆｔ邋ｃａｒｒｉｅｒ邋ｂａｔｔｌｅ邋ｇｒｏｕｐ逡逑航母戰(zhàn)斗群是艦載機(jī)的海上起降平臺(tái)，其主要攻擊力量是艦載機(jī)，艦載機(jī)在艦起降尤其是安全降落問(wèn)題（圖１．２）已經(jīng)成為世界性技術(shù)難題，因?yàn)榕灤煌陉懗丝傮w尺度小以外，它要隨風(fēng)浪進(jìn)行不規(guī)則的搖擺運(yùn)動(dòng)，加之艦面建筑物一般屬于流線(xiàn)型，這會(huì)對(duì)飛行甲板附近區(qū)域的氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，形成復(fù)雜的空氣尾流場(chǎng)［８］。

武器系統(tǒng)則是海軍最強(qiáng)大的戰(zhàn)斗武器系統(tǒng)，戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，它是奪取制海權(quán)的有力工具，和逡逑平時(shí)期，它是顯示國(guó)家海上力量的有效手段［７］。一艘航空母艦一般需要數(shù)艘驅(qū)護(hù)艦、攻逡逑擊艦、巡洋艦、補(bǔ)給艦等艦船護(hù)航，組成如圖１．１中所示的航母戰(zhàn)斗群編隊(duì)。逡逑圖ｉ．ｉ航母戰(zhàn)斗群逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ａｉｒｃｒａｆｔ邋ｃａｒｒｉｅｒ邋ｂａｔｔｌｅ邋ｇｒｏｕｐ逡逑航母戰(zhàn)斗群是艦載機(jī)的海上起降平臺(tái)，其主要攻擊力量是艦載機(jī)，艦載機(jī)在艦船上逡逑起降尤其是安全降落問(wèn)題（圖１．２）已經(jīng)成為世界性技術(shù)難題，因?yàn)榕灤煌陉懙�，逡逑除了總體尺度小以外，它要隨風(fēng)浪進(jìn)行不規(guī)則的搖擺運(yùn)動(dòng)，加之艦面建筑物一般屬于非逡逑流線(xiàn)型，這會(huì)對(duì)飛行甲板附近區(qū)域的氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，形成復(fù)雜的空氣尾流場(chǎng)［８］。尾逡逑流中的小尺度渦會(huì)使直升機(jī)旋翼產(chǎn)生震動(dòng)，較大尺度的渦將影響旋翼的性能，并且不論逡逑對(duì)于直升機(jī)還是固定翼飛機(jī)而言，尾流場(chǎng)都使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣減少，進(jìn)而減小發(fā)動(dòng)機(jī)推力，逡逑增加飛行員的工作負(fù)荷。尤其是在高風(fēng)速、惡劣海況、艦船運(yùn)動(dòng)、低能見(jiàn)度等情況下，逡逑空氣尾流會(huì)對(duì)艦載機(jī)的起降安全產(chǎn)生致命威脅［９］。從２０世紀(jì)７０年代起

圖２．１三維問(wèn)題的計(jì)算網(wǎng)格逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｃａｌｃｕｌｔｉｏｎ邋ｍｅｓｈ邋ｏｆ邋ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ邋ｐｒｏｂｌｅｍ逡逑用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解，需要將描述物理問(wèn)題的微分方程轉(zhuǎn)化成，該方程組中包含有該節(jié)點(diǎn)及附近相鄰節(jié)點(diǎn)上所求函數(shù)的值，。論文中利用直角坐標(biāo)下艦船空氣尾流場(chǎng)的連續(xù)性方程來(lái)說(shuō)

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本文編號(hào)：2795773