大尺度船舶构造物湍流风场数值研究

摘要

由船速和大气风联合产生的气流与船的上部结构和船体相互作用形成一个湍流，即不定常尾流。船舶空气尾流关系到所有在舰船附近操作的飞机。空气尾流影响飞机的操作质量并增加飞行员的工作负担，随着风速和方向的改变其影响范围也改变极大。为飞机模拟建立精确的空气尾流模型有可能促进一些有关的海上航空领域的发展。舰机模拟的逼真度问题需要完善的研究和分析，由于缺少高逼真度的船舶空气尾流模型，这些工作目前并不是很充分。
　　本文以ANSYS FLUENT13.0为计算平台，对舰船空气尾流场进行数值研究，主要完成了以下几项工作：
　　首先，针对低雷诺数的风洞流场进行数值模拟，研究了不同湍流模型对立方体绕流场的预测能力，在此基础上建立了基于粗糙网格的ILES模型进行数值的方法。基于相同的粗糙网格结构，使用雷诺平均、LES和DES模型计算流场，分析低雷诺数下湍流模型的适应性。
　　其次，针对高雷诺数的建筑大气风场进行数值模拟，研究粗糙网格情况下的湍流场的计算方法和湍流模型，发现对于低雷诺数最好的DES模型不能被扩展到高雷诺数流场计算。对于使用粗糙网格的大气边界层中的建筑流场压力预测，ILES是最合适的模型。对于大气边界层入口条件，研究了入口速度失真的机理，提出了提高入流水平均匀性的方法。通过降低入口处湍流强度，降低地面附近的动量传递。
　　第三，研究了用于舰船空气流场数值模拟的湍流模型，将不同雷诺平均湍流模型用于简单护卫舰流场计算，MMK和LK模型的预测结果好于SKE模型。将ILES模型用于全尺度的舰船模拟，获得了更加准确的结果。
　　第四，针对复杂舰船气流场数值模拟方法进行研究。将计算结果与LHA的风洞实验数据对比分析，验证了数值模拟的准确性。基于舰载直升机 V-22的起降限制，讨论不同风向角时不同着舰点处的流场分布以及对舰载机起降的影响程度。
　　最后，研究了CVN级航空母舰上岛型建筑和船体甲板结构与甲板风相互作用所产生的舰尾及舰面流场特征，包括岛型建筑和甲板结构对舰船尾流场的影响程度以及作用效果。研究了不同工况下舰船尾部流场结构的特征及对飞机降落安全性的影响。针对船体舰面涡流的形成，脱落和运动特征进行研究，得到涡旋结构形成的原因，脱落及运动过程中的规律特征，掌握不同涡旋流动特点。研究发现，岛形建筑的形状和位置严重影响了岛型建筑下游涡旋的大小和位置，岛型建筑对空气质量的阻滞作用是岛型建筑涡分离和脱落的重要驱动力。给出了不同风向角和风速时，实体护卫舰飞行甲板的流场数据。研究发现，相同风向角时不同风速情况下的流场特征是相同的。机库门打开有助于减小飞行甲板的涡流区影响范围和强度。
　　本文结论和研究成果有助于对舰船空气尾流场的理解，对工程实际的数值计算具有十分重要的意义。

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第1章 绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2 舰船气流场研究国内外研究现状

1.3 本文研究目的

1.4 本文研究内容

第2章 湍流理论与数值方法

2.1 基本方程和湍流模型

2.2 数值求解

2.3 边界条件

2.4 本章小结

第3章 基于立方体绕流湍流模型数值研究

3.1 通道流中贴壁立方体流场模拟

3.2 大气边界层中立方体建筑流场模拟

3.3 大尺度湍流风场入口水平均匀性模拟

3.4 本章小结

第4章 简化船舶气流场湍流模型应用研究

4.1 计算区域及网格划分

4.2 计算设置及边界条件

4.3 结果分析及讨论

4.4 本章小结

第5章 基于舰载机着舰气流场特征研究

5.1 风洞测试与CFD计算设置

5.2 计算和测量的对比

5.3 本章小结

第6章 实体船舶湍流风场数值计算

6.1 实体航空母舰流场数值研究

6.2 实体护卫舰模型数值研究

6.3 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢