【摘要】：艦船屬于復(fù)雜形狀的鈍體結(jié)構(gòu),其非流線型的艦島、機庫等結(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)雜的湍流流動現(xiàn)象。這種因海況、艦船形狀及其六自由度運動等因素而異的復(fù)雜艦船空氣尾流場環(huán)境迫使艦載機在非理想狀態(tài)下進行起降,并嚴重威脅艦載機及飛行員的安全。另外,艦船空氣尾流場中的湍流會增加飛行員的工作負荷和艦載機旋翼及機身的疲勞,減少艦載機的工作壽命。目前,艦船空氣尾流場是體現(xiàn)機艦適配性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素,其特性參數(shù)是用于計算艦載直升機安全起降包線的重要依據(jù),對艦船空氣尾流場的準確預(yù)測可為艦載機的安全起降提供保障。早期,艦載機安全起降包線主要通過耗時耗力且昂貴的實船飛行測試來制定,近年來隨著計算機和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,計算流體動力學(xué)(CFD)在艦船空氣尾流場預(yù)測中得到越來越廣泛的應(yīng)用。深入研究艦船空氣尾流場數(shù)值計算方法,對提高尾流場預(yù)測精度,優(yōu)化艦船設(shè)計以及保障艦載機、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軟件對艦船空氣尾流場進行了全尺寸的仿真計算,并對貼壁立方體、典型護衛(wèi)艦簡化模型SFS、美國塔拉瓦級通用兩棲攻擊艦LHA-1及尼米茲級喬治·華盛頓號核動力航空母艦CVN-73的尾流場特性進行了系統(tǒng)研究。主要目的是確定適合于艦船空氣尾流場數(shù)值模擬的湍流模型及網(wǎng)格劃分方法,在此基礎(chǔ)上研究不同甲板風風速、風向、大氣邊界層條件及艦船幾何特征對尾流場特性的影響。首先,通過對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,論文得出了適用于貼壁立方體尾流場研究的經(jīng)濟高效的計算方法為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CFD計算中,并與風洞實驗中艦船表面及脫體物理量進行了對比,結(jié)果證明論文CFD計算很好地預(yù)測了 SFS空氣尾流場中的特征。另外,研究還表明基于USKE與DES-SA模型的瞬態(tài)計算尤其是DES-SA模型能有效提高尾流場的預(yù)測精度,但其計算成本較高,在計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)模的計算。然后,論文對比了相同布局的結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)和混合網(wǎng)格下SFS的空氣尾流場特性,計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格類型對SFS空氣尾流場影響較小。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)格的工作量遠遠小于劃分全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的工作量,且混合網(wǎng)格數(shù)量僅是全非結(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)格類型中的性價比最高。經(jīng)驗證,基于混合網(wǎng)格的LHA-1和CVN-73尾流場計算結(jié)果與風洞實驗結(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計算中的適用性。另外,論文研究了艦船空氣尾流場特性隨風條件(甲板風風速、風向,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隨甲板風速的變化規(guī)律符合雷諾數(shù)獨立性原則,這一規(guī)律表明對于感興趣的風向角只需要計算一個風速即可,因此有效減少了艦船空氣尾流場研究中的工作量。但隨風向角的變化艦船空氣尾流場會發(fā)生劇烈改變,對于感興趣的風向角工況必須逐一進行計算,通過對比分析,論文認為0°～15°的風向角范圍是適合艦載機起降操作的較理想風向角。對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艦船空氣尾流場的影響不可忽略,其中速度梯度會降低入口處流動動能的輸入,湍流特性會減小流場中的速度梯度。最后,論文研究了不同艦船幾何結(jié)構(gòu)下的空氣尾流場特性,對帶有機庫的后置飛行甲板型艦船,研究了其機庫門狀態(tài)、機庫高度、機庫側(cè)面過渡弧度、機庫頂部傾角及飛行甲板長度對艦載機操作區(qū)流場的影響,得出了可改善尾流場環(huán)境的機庫及飛行甲板參數(shù)。采用綜合優(yōu)化結(jié)構(gòu)后,0°和15°風向角的空氣尾流場均得到了有效改善,且改善效果比單獨優(yōu)化某一結(jié)構(gòu)時更加明顯。對具有全通型飛行甲板的艦船,論文研究了船首加裝的導(dǎo)流板對艦載機操作區(qū)流場的影響,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)測艦船空氣尾流場特性,解決了復(fù)雜艦船的網(wǎng)格劃分問題,明確了風條件和艦船結(jié)構(gòu)對艦船空氣尾流場特性的影響,且研究了大氣邊界層條件對其特性的影響。論文的研究成果為艦船空氣尾流場的研究提供了經(jīng)濟高效的數(shù)值方法,同時可為艦船的優(yōu)化設(shè)計及改造提供參考,為直升機安全操作包線的制定和固定翼飛機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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U674.70
【圖文】：

．Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ａｉｒｃｒａｆｔ邋ｃａｒｒｉｅｒ邋ｂａｔｔｌｅ邋ｇｒｏｕｐ逡逑航母戰(zhàn)斗群是艦載機的海上起降平臺，其主要攻擊力量是艦載機，艦載機在艦起降尤其是安全降落問題（圖１．２）已經(jīng)成為世界性技術(shù)難題，因為艦船不同于陸除了總體尺度小以外，它要隨風浪進行不規(guī)則的搖擺運動，加之艦面建筑物一般屬于流線型，這會對飛行甲板附近區(qū)域的氣流產(chǎn)生強烈擾動，形成復(fù)雜的空氣尾流場［８］。

武器系統(tǒng)則是海軍最強大的戰(zhàn)斗武器系統(tǒng)，戰(zhàn)爭時期，它是奪取制海權(quán)的有力工具，和逡逑平時期，它是顯示國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)護艦、攻逡逑擊艦、巡洋艦、補給艦等艦船護航，組成如圖１．１中所示的航母戰(zhàn)斗群編隊。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)斗群是艦載機的海上起降平臺，其主要攻擊力量是艦載機，艦載機在艦船上逡逑起降尤其是安全降落問題（圖１．２）已經(jīng)成為世界性技術(shù)難題，因為艦船不同于陸地，逡逑除了總體尺度小以外，它要隨風浪進行不規(guī)則的搖擺運動，加之艦面建筑物一般屬于非逡逑流線型，這會對飛行甲板附近區(qū)域的氣流產(chǎn)生強烈擾動，形成復(fù)雜的空氣尾流場［８］。尾逡逑流中的小尺度渦會使直升機旋翼產(chǎn)生震動，較大尺度的渦將影響旋翼的性能，并且不論逡逑對于直升機還是固定翼飛機而言，尾流場都使得發(fā)動機進氣減少，進而減小發(fā)動機推力，逡逑增加飛行員的工作負荷。尤其是在高風速、惡劣海況、艦船運動、低能見度等情況下，逡逑空氣尾流會對艦載機的起降安全產(chǎn)生致命威脅［９］。從２０世紀７０年代起

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

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本文編號：2795773