2021, Vol. 43
2. 中国船舶集团有限公司第七〇八研究所，上海 200011;
3. 哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001
2. The 708 Research Institute of CSSC, Shanghai 200011, China;
3. Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
风速以及风向信息对于舰船在进行操作过程中有着至关重要的意义，不仅直接影响到其航行以及作战，而且来流风在甲板周围所产生的各种复杂流场都可能对舰载机的升降产生很大影响[1]，严重的情况还会直接危及其安全[2]，这些信息需要舰载测风设备来提供。但舰船在航行过程中，舰载测风设备周围的流场由于受到舰船外形的扰流会变得很复杂，导致测风信息不准确，因此根据流场的特征对测风位置进行合理的确定是必要的。
在之前的工作中大部分都是针对舰船的形状对飞行甲板以及周围流场的影响进行研究。K R Reddy等[3]运用CFD对舰载机升降平台上的湍流扰动进行了分析，并根据风洞的试验结果与仿真结果进行了对照。Susan A Polsky 等[4]对CVN级航母舰体的尾流场情况进行了仿真，降低了船体表面的尾流给舰载机起降造成的干扰。Yesilel.H等[5]分别通过不同的计算模型和网格对流场的影响进行了分析。Forrest.S等[6]选择DES模型来进行数值模拟，并和风洞实验数据对比表明它们有效性。在国内还做过一系列使用CFD仿真技术来模拟舰船周围流场的研究。其中关于测风位置和测风精度的准确性之间相互关系的研究仅有郜冶和刘连吉等进行了论述[7-8]，但是未能得出一个可行的保证测风精度的前提下确定测风位置的方法，因此仍然需要进一步开展研究。
1 数值计算原理与方法本文结合N-S方程组，选用标准
| $ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {\nabla \cdot V = 0}, \\ {\dfrac{{\partial (\rho V)}}{{\partial t}} + \nabla \cdot (\rho VV) = \rho f - \nabla p + \nabla \cdot (2\mu S)}, \end{array}} \right. $ | (1) |
| $ \frac{{\partial (\rho \varepsilon )}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho \varepsilon {u_i}} \right)}}{{\partial {x_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _\varepsilon }}}} \right)\frac{{\partial \varepsilon }}{{\partial {x_j}}}} \right] + {C_{\varepsilon 1}}\frac{\varepsilon }{k}{G_k} - {C_{\varepsilon 2}}\rho \frac{{{\varepsilon ^2}}}{k}, $ | (2) |
| $ \frac{{\partial (\rho k)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho k{u_i}} \right)}}{{\partial {x_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _k}}}} \right)\frac{{\partial k}}{{\partial {x_j}}}} \right] + {G_k} - \rho \varepsilon\text{。} $ | (3) |
以LHA-1两栖攻击舰为参考对其进行等比例建模[9]并进行合理的简化。其中需要注意忽略一些细小结构，并且将烟囱的复杂形状简化2个圆柱来考虑它们对流场的作用，如图1所示。
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图 1 LHA-1 两栖攻击舰物理模型 Fig. 1 LHA-1 Amphibious assault ship physical model |
在其飞行甲板上设置有9个舰载机起降的起降点，如图2所示。
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图 2 LHA-1 起降点具体分布情况 Fig. 2 LHA-1 Specific distribution of take-off and landing points |
首先运用Ansys ICEM生成对复杂船型适应较好的非结构化网格，然后选取净空高度最高的2号起降点，以此为参考点，选择其上方6.349 m高度的点为研究对象进行网格无关性验证，命名为m点，坐标值是（−121.13，32，16.07），在来流的风向是0°，风速是20.6 m/s的特定工况。本文的仿真过程均考虑舰船处于静止，不考虑舰船的横摇纵摇等运动的情况下，观察m点Y轴方向分速度在不同网格数目下的值如图3所示。
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图 3 不同网格数下的 m 点Y轴方向速度分布 Fig. 3 Velocity distribution of m point in the Y axis direction under different grid numbers |
可以看出，网格数目为930万、1100万、1200万时的m点在Y轴方向的分速度几乎是相同的，因此为节省资源和计算所用的时间对930万网格的算例计算。
取m点所在的沿船宽方向且长度与甲板宽度相等的直线为特征线，对930万网格的仿真算例做进一步分析。对线上各点沿Y轴方向的分速度与文献[10]中的实验数据进行对比，如图4所示。
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图 4 Y 轴方向的计算速度和实验速度分布图 Fig. 4 Calculated velocity and experimental velocity distribution diagram in the Y-axis direction |
由图4可知仿真结果与实验数据几乎重合，说明运用的网格划分方法及标准k-ε模型是合理的，因此在接下来的仿真过程中均使用这种计算模型。图5为船体周围区域的局部网格。
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图 5 船体周围网格 Fig. 5 Grid around the hull |
根据相关的规定，测风传感器应该具有固定的安装位置，通过电缆线与记录器等进行连接。测风传感器常见的设置位置如下：
1）舰船甲板的两侧。舰船的结构会对飞行甲板的两侧产生扰流的影响，并且在某些风向角下甲板两侧的拐角处会产生非常复杂的涡旋，所以在确定测风传感器位置时要考虑这些因素。
2）舰船船首一侧。某些舰船会在船首安放测风支架，然后将测风传感器安装在测风支架远离舰船的一侧。
3）船尾。某些舰船的船尾比较空阔或者其上方为上层建筑，这种情况下可以将测风传感器安装在船尾。
4）上层建筑上方。由于舰岛上方有一定的高度优势，不易受到扰流的影响，所以可以将测风传感器安装在此处。
设置舰船测风传感器的位置大致可以分为4种，如图6所示。
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图 6 舰船常见测风设备安装位置分布 Fig. 6 Distribution of installation locations of common wind measuring equipment on ships |
仿真过程中应该以不同的风速和风向值来设置不同的工况，但从文献[11]中可以得知风速对于流场的影响在一定范围时具有雷诺数独立的性质，因此可以在进行了同一风向角一种风速计算前提下通过比例来得出其余风速工况的信息。对本文所涉及到的风速范围5～20.6 m/s进行研究。在其他方法与边界条件相同时，将来流风向设定为0°，来流的风速分别设定为 5 m/s 和 20.6 m/s，以坐标轴Z=0的截面作为一个参考表面，得出该参考面的速度云图、流线图以及涡量等值线图进行比较。
图7和图8分别为来流风速5 m/s和20.6 m/s时Z=0截面的速度云图、流线图和涡量等值线图。
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图 7 Z=0 截面，入口风速 5 m/s Fig. 7 Z=0 section, inlet wind speed 5 m/s |
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图 8 Z=0 截面，入口风速 20.6 m/s Fig. 8 Z=0 section, inlet wind speed 20.6 m/s |
从速度云图可以清楚地看出，2种工况下当风速为20.6 m/s 时参考面的速度值普遍大于风速为 5 m/s 时参考面的速度值，但可以清楚地看出速度分布状态相似，均在靠近船体位置处出现低速区，且在船首以及船尾处由于受来流风扰流影响较大，速度分布较为复杂。从流线图可知，来流风速分别为5 m/s 和 20.6 m/s时，在船首和船尾周围都产生了漩涡，船首的漩涡是由于上洗气流的影响而产生的分离涡，船尾的漩涡主要是由于尾流的作用影响而产生的，舰船周围的流场形态并无显著差异。从无量纲化后的涡量等值线图可以清楚地看出，不同来流速度对于舰船流场的形态几乎无任何影响，说明所要研究的风速范围符合雷诺数独立性的要求，因此对不同来流风向下的一种风速进行数值模拟。
研究相同的来流风速（15.4 m/s），不同来流风向角度时舰船周围的流场变化情况，确定了测风传感器合理的设置位置。一共选择了12种入口风向，依次设置0°，± 30°，± 60°，± 90°，± 120°，± 150°，180°的工况分别进行数值计算。建立这12种工况下具有代表性的截面进行数据处理，分析其特征。
1）舰船甲板两侧流场分析
创建甲板所在高度Y=129 m截面，分析其在不同工况下的流场特征。如图9（a）所示，由0°时的流场速度云图可以清晰地看到，在舰船的船首、船尾以及甲板左侧的拐角点处流场情况较为复杂，并且还出现了明显的低速区。图9（b）的速度流线图可以清楚地看到靠近甲板两侧的流场状况比较复杂，远离甲板的流场比较均匀。
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图 9 0°风向角时甲板高度截面的速度云图和流线图 Fig. 9 Velocity cloud diagram and streamline diagram of deck height section at 0° wind direction |
风向角为 30°（沿船首到船尾方向的顺时针为正）时，从图10（a）可以看出，由于受舰船轮廓影响，甲板两侧及舰船尾部流场分布复杂且在尾部及甲板左侧出现低速区。从图10（b）显示的速度流线图可以看出，相比于0°时的流场，此时甲板左侧以及舰船尾部的流线变化更加复杂，出现了由于船首上洗气流和右侧甲板扰流综合造成的复杂涡漩。
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图 10 30°风向角时甲板高度截面的速度云图和流线图 Fig. 10 Velocity cloud diagram and streamline diagram of deck height section at 30° wind direction |
风向角为60°时的情况与30°的类似，只是在速度上偏移由于风向角更大因而更加明显。
风向角为 90°时，从图11（a）可以看出，由于风是从正右侧吹来，所以甲板左侧流场分布比较复杂，出现很大面积的低速区，且速度梯度很大，此区域与11（b）中所呈现的大尺度漩涡结构对应。
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图 11 90°风向角时甲板高度截面的速度云图和流线图 Fig. 11 Velocity cloud diagram and streamline diagram of deck height section at 90° wind direction |
风向角为120°时，风在甲板右侧由靠近船尾的位置吹过来，由图12可以看出，由于受甲板右侧以及舰岛的影响，在甲板左侧出现较大范围的低速区，流线变化复杂。
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图 12 120°风向角时甲板高度截面的速度云图和流线图 Fig. 12 Velocity cloud diagram and streamline diagram of deck height section at 120° wind direction |
风向角为 150°时的情况与120°的类似，只是由于风向更加贴近船的尾部，所以此时流场受舰船岛式结构的影响变小，流场变化剧烈程度减弱。
来流风向为 180°时的情况与0°时的情况类似，均在舰船的首尾出现了低速区，流场具有一定的对称特征。
沿船尾逆时针方向的各个风向角与上述正向风向角相对应，情况相似。
由以上分析可知，不同的来流风向下舰船周围流场有很大的区别。当来流风向分别为0°和180°时，仅舰船首尾以及甲板左侧拐角部位的流场所受到的影响较大，其余部分均比较平稳。但是当来流的风向与甲板成一定的角度时，由于受甲板及舰岛的影响，甲板周围流场变化复杂，会因为扰流影响而产生漩涡，出现较大范围的低速区，且背风侧所受到的影响大于迎风侧。所以舰船甲板两侧会受到很严重的扰流影响，不应在此处安装测风传感器。
2）船首船尾周围流场分析
观察0°来流风向角的情况下，绘制 Z=0截面（船首到船尾的纵剖面）的速度流线图，如图13所示。可以看出，在船首及船尾出现了分别由上洗气流和尾流影响而产生涡结构。船尾由于尾流的影响形成的涡结构的尺度较大，影响范围较大。
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图 13 0°风向角时 Z=0 截面的速度流线图 Fig. 13 0° wind direction, Z=0 section velocity streamline diagram |
绘制Y=21.9 m 截面（位于舰船甲板表面）船首处的局部流线图，进一步地观察到对于船首扰流的影响范围。从图14可以清晰看出，在距离船首一定的范围后，流线分布变得比较规律，流场受到船体的影响会大大降低。因此从理论上可以在船首一侧支出一定长度的测风支架放置测风设备。又由于舰岛处于船体右侧，为了减弱其对流场的影响，建议将测风支架安装在舰船的船首右侧。
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图 14 0°风向角时X=−164截面的速度流线图 Fig. 14 0° wind direction, X=−164 section velocity streamline diagram |
3）岛式上层建筑附近流场分析
图15（a）为来流风向 0°时 LHA-1 舰船表面流线分布情况，15（b）为舰岛位置局部放大的速度流线图，观察其附近区域所产生的涡结构。由图15（a）可以看出，甲板两侧流线分布比较平顺，在舰岛以及拐角处受到影响流线比较复杂，存在较大尺度的涡结构脱落的现象。由图15（b）可以看出，舰岛周围流场非常复杂，存在大尺度的涡结构，因此在舰岛周围测风不合理。
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图 15 0°风向角时 LHA-1 舰船表面流线分布 Fig. 15 0° wind direction ,streamline distribution on the surface of the LHA-1 ship |
对 0°风向角下的 Z=−17.5 m 截面的流线图做进一步分析，如图16所示。由舰岛周围的局部放大图可以得知，舰岛前后两侧仍有明显的漩涡，但其上方流线比较顺滑，流场所受影响较小，所以可以在舰岛上方安装一定长度的测风支架放置测风设备。
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图 16 0°风向角时 Z=−17.5 m 截面速度流线图 Fig. 16 0° wind direction, Z=−17.5 m section velocity streamline diagram |
综上所述，岛式上层建筑中央以及船首右侧所支出的测风支架为测风传感器的较优安装位置，如图17中1、2 测风点所示。
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图 17 测风点位置示意图 Fig. 17 Schematic diagram of wind measurement point location |
根据分析可得到如下结论：
1）舰船周围流场的特点受来流风向的角度变化影响很大，相比于角度变化对流场的影响，同一来流风向角度下，在一定的流速范围内，不同来流速度对于舰船周围的气流场影响非常小。
2）由于这些舰船结构的复杂性，其周围的流场会产生大量的涡旋，包括由于船首上洗气流导致的涡旋、船尾的尾流引起的涡旋，由于舰岛的上洗气流而产生的涡旋，以及在舰船甲板附近所产生的涡旋等。
3）建议在流场不易受到船体干扰的位置安装测风设备，通过分析 LHA-1 两栖攻击舰周围的流场，船首的右侧以及舰岛中心位置的流场不易受到干扰，适合安装测风传感器。
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