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舰船艉流场数值模拟及控制方法研究

舰船艉流场数值模拟及控制方法研究

作者：王超北京理工大学

学位级别：硕士

直升机的舰面起降,特别是在驱逐舰等中、小型舰船上起降,要比在地面执行同样飞行任务困难而且危险。由于舰船艉部流场中复杂的流动结构对直升机着舰过程中的操稳性能影响极大,严重威胁着直升机在舰面的安全起降。因此,开展舰船艉流场研... 详细信息

直升机的舰面起降,特别是在驱逐舰等中、小型舰船上起降,要比在地面执行同样飞行任务困难而且危险。由于舰船艉部流场中复杂的流动结构对直升机着舰过程中的操稳性能影响极大,严重威胁着直升机在舰面的安全起降。因此,开展舰船艉流场研究,分析其复杂流场的形成机理与流场结构,进而通过研究流场控制技术改善艉流场环境,提高舰载直升机舰面起降的安全性,是一项极具工程意义的工作。本文首先采用基于Spalart-Allmaras湍流模型的非定常脱体涡模拟(Detached-eddy Simulation,DES)方法对典型护卫舰船型进行数值模拟,一方面通过与试验数据对比发现,非定常计算结果与试验结果吻合度高,验证了本文采用的数值方法的可靠性。另一方面详细分析了舰船艉流场的形成机理以及其非定常特性,同时分析了舰岛建筑与机库门开合状态对艉流场的影响,研究发现机库上方建筑诱导的涡结构与机库边缘产生的涡结构会互相干扰,出现涡配对现象,从而形成新的涡结构。机库门开合状态对舰船艉部回流区范围的影响并不明显,但是当机库门半开时,艉部甲板上方远离机库门位置处的下洗湍动能最小。为了提高直升机舰面起降的安全性,采用主动控制技术改善艉部流场环境,模拟了不同吹/吸气组合条件对艉流场的影响,研究发现通过混合吹吸气方法,能有效的抑制艉流场的下洗速度,相比无控状态使得关键区域的下洗速度减小一倍,且能有效的控制回流区的中心位置和纵向长度,相比无控状态使得回流区的纵向范围减小25%,把回流区从艉部关键位置中移除。同时研究了不同机库截面外形与机库高度对艉部大分离流场的影响,结果表明,相比“凸”字形截面的机库外形,截面为“口”字形的机库不利于直升机的舰面安全起降,通过合理的降低机库高度可以有效的改善艉部飞行甲板处的起降环境。最后,本文初步推导了快速预测舰船艉流场回流区范围的计算公式。

关键词：艉流场脱体涡模拟方法流场主动控制护卫舰

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基于算法模型的肥大型船艉流场评估方法

上海船舶运输科学研究所学报 2023年第3期46卷 1-7页

作者：孙怡然陈伟民杜云龙上海船舶运输科学研究所有限公司、航运技术与安全国家重点实验室上海200135

为快速、准确评估肥大型船的艉流场,以某肥大型散货船为研究对象,应用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术和人工智能算法建立一种艉流场快速评估方法。分别采用数值计算方法和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry... 详细信息

为快速、准确评估肥大型船的艉流场,以某肥大型散货船为研究对象,应用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术和人工智能算法建立一种艉流场快速评估方法。分别采用数值计算方法和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术对艉流场进行计算和试验,通过将计算结果与试验结果相对比验证数值计算方法的准确性。在此基础上,采用3种人工智能算法开展模型训练并分析模型拟合情况,采用拟合度最高的算法建立艉流场快速评估模型,进而得到肥大型船艉流场评估方法。研究表明:采用CFD软件能准确模拟出肥大型散货船艉流场的实际流动状态并展示其流动细节;采用伴流均匀度等参数描述艉流场,并将其应用于基于算法模型建立的艉流场评估方法中,可快速评估艉流场的不均匀度和流动特性,为肥大型船的艉部型线优化、螺旋桨及节能装置设计提供参考。

关键词：计算流体力学(CFD)技术艉流场人工智能算法粒子图像测速(PIV)技术

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舰船艉部流场主动控制技术数值模拟研究

舰船艉部流场主动控制技术数值模拟研究

第九届全国流体力学学术会议

作者：荣吉利王超赵瑞袁武北京理工大学宇航学院力学系中国科学院计算机网络信息中心超级计算中心

钝体结构的机库一般位于飞行甲板前方,这种钝体效应产生的大分离流动包含了随时间变化的湍流结构,且伴随着不稳定的分离剪切层和涡流,形成了舰船艉流场。本文首先使用脱体涡模拟方法(Detached-eddy Simulation,DES)对护卫舰简化船型SFS... 详细信息

钝体结构的机库一般位于飞行甲板前方,这种钝体效应产生的大分离流动包含了随时间变化的湍流结构,且伴随着不稳定的分离剪切层和涡流,形成了舰船艉流场。本文首先使用脱体涡模拟方法(Detached-eddy Simulation,DES)对护卫舰简化船型SFS2展开非定常数值模拟,通过与风洞实验数据对比,验证了该计算方法的准确性,如图1所示。为了提高舰载机起降的安全性,本文研究主动控制技术(机库侧方吹吸气、甲板吹吸气以及混合吹吸气技术)对舰船艉部大分离流场的抑制作用,使用DES方法探究了不同吹吸气组合条件下艉部回流区的范围以及下洗速度规律。结果表明,在甲板上方增加吹气装置可以有效的抑制艉流场中的下洗速度;在机库侧方增加吸气装置可以有效的控制回流区的中心位置和纵向长度,从而有利于直升机的起降环境;采用混合吹吸气技术,即在甲板上方吹气速度约为0.5%U∞、机库侧方吸气速度约为2.7%U∞时,可使艉流场回流区的纵向范围减小25%,同时使艉部流场关键区域的最大下洗速度减小50%,如图2所示。研究成果可为工程应用提供参考。

关键词：数值计算主动控制技术艉流场护卫舰脱体涡模拟

来源： cnki会议评论

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舰船舰面空气流场特性研究进展

船舶力学 2018年第11期22卷 1431-1444页

作者：赵瑞王超李海旭宗昆严昊北京理工大学宇航学院北京100081 中国船舶工业系统工程研究院北京100094

舰船舰面空气流场是舰载机起降的环境条件,由于舰面突起建筑的诱导作用,舰面流场十分复杂,直接影响到舰载机的操稳特性以及飞行安全。该文对国内外舰面空气流场特性的研究进行回顾。首先,对舰面空气流场基本特性展开论述,并列举由于艉... 详细信息

舰船舰面空气流场是舰载机起降的环境条件,由于舰面突起建筑的诱导作用,舰面流场十分复杂,直接影响到舰载机的操稳特性以及飞行安全。该文对国内外舰面空气流场特性的研究进行回顾。首先,对舰面空气流场基本特性展开论述,并列举由于艉流诱导引起的舰载机起降事故,说明对舰面空气流场特性研究的必要性。其次,对国外重大的舰船舰面空气流场协同测量项目进行简要介绍,分别从实船测量、风洞实验以及数值仿真三方面对其关键技术展开讨论。最后,总结国内外研究成果,对舰船舰面空气流场的影响因素进行归纳,总结其影响规律,指出需要进一步研究的方向。

关键词：舰船舰载机艉流场非定常流动

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直升机动态着舰流场下的旋翼气动载荷分析

南京航空航天大学学报 2020年第2期52卷 232-239页

作者：陈华健徐国华史勇杰南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室南京210016

直升机着舰流场复杂多变,严重影响着旋翼的气动环境,进而影响直升机着舰安全。本文基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术建立了一个直升机动态着舰的数值模拟方法,并以此研究直升机着舰过程中的气动载荷变化。该方法... 详细信息

直升机着舰流场复杂多变,严重影响着旋翼的气动环境,进而影响直升机着舰安全。本文基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术建立了一个直升机动态着舰的数值模拟方法,并以此研究直升机着舰过程中的气动载荷变化。该方法以N-S方程作为控制方程,并选取k-ω湍流模型来提高对涡流场的捕捉精度,采用动量源方法模拟旋翼。应用所建立的方法,着重分析了直升机侧弦进场、垂直降落过程中的耦合流场特征和气动载荷变化。结果表明:直升机侧弦进场时旋翼会与甲板舷涡以及舰船艉部的涡回流区发生较强的涡干扰,导致拉力显著降低,在舰面效应的影响下易产生一个附加的滚转力矩,影响直升机姿态稳定;垂直降落时在上述干扰的综合作用下,旋翼拉力呈现出先减小、后增大的特点,各气动载荷在接近甲板时会出现剧烈的波动,加大了着舰风险。

关键词：直升机舰船动态着舰艉流场气动载荷