2020, Vol. 42
舰船在海上航行时会受到舰船自身结构、海洋气流的复杂多变[1]等各种因素的影响。随着时代的发展，现代舰船装备了舰载机和精密电子设备[2]，导致其舰面流场结构变得更加复杂[3]。同时，不同船舶与不同海域的空气尾迹场特征也不相同[4]。此外，复杂的舰船甲板上层结构导致上方空气流场的运动形式变化莫测[5]，并且当舰载机在甲板上方时，会形成更加复杂的流场结构，对其自身飞行安全产生很大的影响[6]，因此，非常有必要对舰船甲板流场环境的优劣开展评估研究工作。
对舰船甲板气流场开展研究，主要是实船测量、缩比模型风洞实验以及CFD仿真3种方法。任何一种方法在研究舰船甲板气流场时，对所获得流场的流场特性进行多目标和综合属性的评估时均难度很大，因此，目前对流场质量的研究还处在初级阶段[7]。其中CAP437标准限定了直升机起降区域的湍动能[8]；CAA（UK）选择利用甲板气流的垂向分速来评价分析流场[9]；陆超等[10]对各个风向角度下的LHA船型的流场结构进行了数值分析；郜冶等[11]研究了CVN船型甲板在不同风向角度下产生的涡结构特征；但是，以上研究都是需要对数值仿真得到的流场进行详细分析，工作量大，且除了CAP437中明确给出了湍动能的具体数值外，其余方法都还处于定性分析阶段。
李想等[12]运用基于改进优劣解距离法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS）加入相对熵的概念理论来综合评估舰船的气流场，为舰船甲板气流场评估提供了新思路。本文首先通过数值仿真获得舰船流场信息，并借助CAP437中湍动能判定指标对不同工况下的舰船流场进行分析。采用TOPSIS法对舰船甲板气流场品质进行综合评估，但不是单一的选用湍动能、垂向气流速度或气流指标的相对熵进行分析，而是将舰船涡系结构、压力分布、湍流强度和关键点气流速度[13]结合在一起整体评估，从而得出不同工况下流场环境与理想流场的相似度，最后运用数值分析结果与TOPSIS法算出的结果进行对比。
1 数值计算方法 1.1 研究对象及方案在本文中，国际通用护卫舰模型SFS2被用作数值计算的物理模型。如图1所示，SFS2的几何构造以及尺寸均由TTCP（The Technical Cooperation Program）确定。
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图 1 国际通用护卫舰模型SFS2 Fig. 1 Internationally agreed frigate model SFS2 |
计算域选取尺寸为长2 000 m，宽280 m，高280 m的空间区域，在阻塞率方面，经过计算XZ面为2.25%，YZ面为2.11%，均满足计算域阻塞率小于3%的要求[14 – 15]。网格划分如图2所示，所有网格均是结构化网格，计算网格数为96万。同时对舰身前台阶、上层建筑甲板表面和舰身后台阶处进行网格加密。
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图 2 计算域网格分布 Fig. 2 Grid distribution of the computational domain |
计算方案中将相对风速设定为10 m/s，15 m/s，20 m/s，25 m/s，从右舷来风，风向从0°增至180°，每15°间隔一个风向，具体如图3所示。边界条件设置如图4所示。图中速度进口为INLET和UP，压力出口为OUTLET，同时LEFT和RIGHT需要根据风向不同分别设置为速度进口或压力出口，BOTTOM和船体表面设为固壁边界。
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图 3 风向定义示意图 Fig. 3 A schematic diagram of the definition of wind direction |
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图 4 边界名称定义 Fig. 4 Definition of boundary name |
由于护卫舰模型SFS2没有确定的实验数据可供查询，而且SFS2模型由SFS1模型变化发展而来，结构上SFS2仅比SFS1多了舰首甲板部分，两者结构尺寸相近。对于SFS1模型，D.M.Roper等[16]曾将
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图 5 SFS1纵向中心线压力系数对比 Fig. 5 Comparison of pressure coefficient of longitudinal center line |
因此，在SFS2的研究中，运用相同的网格布局、网格数量分布和求解方式，获得的运算结果也是同样合理的。本文研究把工质选定为理想气体，采用基于密度法显式求解器，选用标准
为了便于分析舰船甲板上方流场特征，在计算域空间中选定5个关键截面，如图6所示。第1、第2和第3截面选定在舰船尾部甲板上方，其中第2截面穿过舰船尾部甲板停机坪中心；第4截面穿过舰船纵向中心截面；5号水平截面与XY面共面。
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图 6 关键截面示意图 Fig. 6 Key cross section diagram |
根据英国的安全起飞和降落标准，CAP437对舰载直升机起飞和降落区域周围的湍流做出的相应限制，则在进行数值模拟计算时，对湍动能要求k≤4.59。因此在进行流场研究时，当k超过限定值，则将超过限制的区域判定为直升机操作的危险区域。
2.2 流场结构分析图7为0°风向时舰面区域湍动能等值面。可以看出，气流在舰首前台阶处分离，边缘脱落涡在船体两侧生成，同时气流在烟囱背风侧形成旋涡，导致舰首迎风甲板和烟囱背风侧湍动能超限区的生成，且随着相对风速的增加，湍动能超限区逐渐增大。
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图 7 0°风向下不同工况舰船甲板上方空间湍动能等值面 Fig. 7 Turbulent kinetic energy isosurface above ship deck under 0 degree wind direction and different working conditions |
图8为45°风向时舰面区域湍动能等值面。可以看出，相对风速越大，舰船甲板上方湍动能超限区域越大。45°风向下，舰船左舷侧形成的高速气流与舰船背风侧低速气流相互作用，使气流在舰船甲板边缘分离再附的区域增大，同时导致舰船甲板区域存在较大范围的湍动能超限区。
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图 8 45°风向下不同工况舰船甲板上方空间湍动能等值面 Fig. 8 Turbulent kinetic energy isosurface above ship deck under 45 degree wind direction and different working conditions |
图9为90°风向时舰面区域湍动能等值面。在90°风向下，舰船右舷正对气流来流方向，右舷甲板受到气流冲击，使得气流向上移动，同时部分存留的气流在舰船边缘分离再附，可以明显看出舰船左舷随着相对风速的增加，产生的高速气流导致大范围旋涡区域的生成。因此，随着高速气流与低速气流的相互干扰，并且船体边缘处气流产生的局部旋涡，这2种环境造成了湍动能超限区的生成。
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图 9 90°风向下不同工况舰船甲板上方空间湍动能等值面 Fig. 9 Turbulent kinetic energy isosurface above ship deck under 90 degree wind direction and different working conditions |
图10为180°风向时舰面区域湍动能等值面。可以发现，湍动能超限区的生成和增长趋势和0°风向相似，范围较小，同时随着风速的增加，湍流能量k>4.59的区域逐渐增大，且区域主要集中在舰船尾部甲板和上层建筑烟囱背风侧。因此，烟囱后方形成的尾部旋涡和船体边缘脱落涡仍然是此风向角度下湍动能超限区域生成的主要原因。
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图 10 180°风向下不同工况舰船甲板上方空间湍动能等值面 Fig. 10 Turbulent kinetic energy isosurface above ship deck under 150 degree wind direction and different working conditions |
通过对各风向条件下不同风速时的流场湍动能图进行分析，可以得出如下结论：在相同风向角度时，当风速从10 m/s增加到25 m/s时，舰船甲板上方湍动能超限区域逐渐增加，在0°风向和180°风向时超限区增长较为缓慢，舰船流场品质整体较好；风向达到90°时，湍动能超限区覆盖了整个舰船表面，此时的舰船流场品质最差，并且风速越大，甲板气流场整体质量越低；根据所计算的数值结果可以分析出不同的流场质量：风速10 m/s的流场质量>风速15 m/s的流场质量>风速20 m/s的流场质量>风速25 m/s的流场质量。
3 流场品质评估 3.1 TOPSIS方法运用TOPSIS方法获得各个流场评估方案与最优流场质量的贴近程度并对流场质量进行排序。本文规划的舰面流场整体评估流程如图11所示，建立如图12所示的舰面流场评估参数分布系统。
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图 11 舰船甲板流场整体评估流程 Fig. 11 Overall evaluation of flow field on ship deck |
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图 12 甲板流场评估参数 Fig. 12 Evaluation parameter for deck flow field |
对于侧风风速和气流垂向分速，本文选取2个关键点进行定量指标的分析，如图13所示。关键点1设定在舰尾停机坪中心上方10 m高度位置。在关键点2的选取上，采取3种不同的位置：第1个位置选在关键点1前方120 m，上方25 m，重点关注舰船上层建筑烟囱周围流场变化；第2个位置为关键点1正前方320 m，船首甲板正上方10 m处，侧重于舰首甲板上方流场分布；第3个位置处在关键点1的左边100 m，前方200 m，上面30 m处，选定在舰船左侧，关注各种风向风速环境下船体周围流场变化。关键点处的侧风风速和垂向气流速度由数值仿真计算获得，舰面涡系分布的具体数值则需要对舰面流场进行分析转换获得，转换情况如表1所示。
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表 1 语言值与效能值转换 Tab.1 Language value and efficiency value conversion |
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图 13 关键点示意图 Fig. 13 Diagram of the key points |
以上3种选点方式，运用TOPSIS法获得各工况流场与理想流场贴近度的分布如图14所示。可见，流场品质的整体质量均为风速10 m/s的流场质量>风速15 m/s的流场质量>风速20 m/s的流场质量>风速25 m/s的流场质量。在第1种选点方式和第2种选点方式时，可以看出，在同一相对风速，当风向偏转从左舷侧吹过且风向偏转角度越大，相对的流场质量也越差。而第3种选点方式，在45°风向时流场评估结果最差，风向60°到120°时流场质量相近且都优于风向45°时，风向135°时流场质量再次下降，而后逐渐提高。该分布规律与前2种取点方式时的规律明显不同，说明采用TOPSIS分析时，关键点位置的选取对评估结果有影响。
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图 14 各工况流场与理想流场贴近度 Fig. 14 Relative closeness of flow field with ideal flow field under different working conditions |
前2种选点方式中，关键点均选在舰船甲板上方空间，重点关注停机坪和甲板上方流场环境，与仿真结果对比分析时，关注甲板上方湍动能分布的目的一致，因此TOPSIS结果与仿真分析结果一致。第3种选点方式中，2号关键点位于舰船左舷外侧，重点关注舰船周围流场环境。由于25 m/s风速90°风向下舰船甲板上方空间湍动能超限区范围最大，图15给出该工况下湍动能等值面与2号关键点的三维视图。可以看出，2号关键点位于湍动能等值面略下方位置，并未处在高湍动能变化区域，所以第3种选点方式的结果与前2种存在差异。
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图 15 风向90°风速25 m/s的湍动能超限区范围 Fig. 15 Turbulent kinetic energy out of range under 90 degree wind direction and 25 wind speeds |
表2列出第3种选点方式下2号关键点分别在45°，60°，90°，120°和135°风向时，相对风速设定为10 m/s，15 m/s，20 m/s和25 m/s时的侧风风速和垂向风速数据。可以看出，45°风向和135°风向时的侧风风速和垂向风速明显大于60°风向和120°风向，当侧风风速和垂向气流速度较大时，导致流场紊乱，使流场品质降低，所以45°风向和135°风向时的流场品质会低于邻近工况。
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表 2 二号关键点侧风风速与垂向风速 Tab.2 Crosswind wind speed and vertical wind speed at key point 2 |
综上可知，TOPSIS法可以有效且方便地对舰船甲板流场质量进行评估，但是评估结果与关键点位置的选取有关，也就是说与评估流场的目的有关。当研究重点放在舰船甲板上方尤其是停机坪附近流场时，TOPSIS评估结果与仿真分析结果一致；当研究重点放在舰船左舷，关注船体周围空间流场环境时，TOPSIS评估结果与仿真分析结果存在差异。
四 结 语本文采用数值模拟方法求解各个工况下的SFS2舰船甲板流场，详细分析了几种典型风向风速下的舰船甲板上方湍动能情况，介绍了TOPSIS法的运算流程以及运用TOPSIS法建立的SFS2舰船甲板表面气流场质量评估体系，对比数值仿真分析结果，得到如下结论：
1）在较低风向角度，舰首和船尾两侧产生的边缘脱落涡以及烟囱背风侧形成的尾涡在舰船尾部甲板掺混，导致有较大范围的旋涡在舰船尾部甲板停机坪上方形成。在较高风向角度，舰船右舷甲板受到气流冲击，气流上洗，大范围的湍动能超限区域主要形成在右舷甲板高速上洗气流和舰船左舷侧低速气流掺混位置。同时当风向偏转角度相同，随着风速逐渐增大，舰船甲板上方的湍动能超限区的范围也逐渐增大。
2）采用TOPSIS方法可以在不对舰船甲板气流场详细分析的前提下，较便捷的实现对流场质量评价，且只要关键点选取合理，其评价结果与CFD仿真分析结果基本一致。
3）TOPSIS法评价结果与流场关键点位置的选取有关。当重点分析舰船甲板上方及上层建筑周围流场质量时，关键点应选取在舰船甲板上方空间和上层建筑周围区域；当重点分析舰船周围流场质量时，关键点应选取在舰船周围流场空间。
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