不同舰船机库外形下艉流场特征数值模拟研究

为了研究舰船艉流场特性,采用基于SA湍流模型的非定常脱体涡模拟(Detached-Eddy Simulation,DES)对典型护卫舰船艉流场进行数值模拟,研究三种不同机库外形在0°与右舷45°自由来流风向角下的非定常特性以及对舰船艉部大分离流场的影响,尤其是对舰载直升机起降环境的影响,并推导了快速预测舰船艉部回流区范围的经验公式。通过与风洞试验数据对比,验证了该计算方法的准确性。由非定常计算的时均结果与瞬时结果表明,相比两侧较低高度的机库外形,等高外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地改善艉部飞行甲板处的起降环境;研究结果验证了经验公式对回流区范围预测的有效性。研究成果可为工程应用提供参考。     

基于基本空间组合关系的舰载机机库布列算法

[目的]提出一种优化航空母舰机库甲板舰载机布列的算法。[方法]针对机库内舰载机混搭布列问题,基于基本空间组合关系,建立组合关系库,优化解空间,将有约束的二维排样问题转换为组合优化问题。然后,再以最大舰载机数量与最大可紧急出动舰载机数量为目标,建立机库布列模型,并利用一种启发式算法求解该模型。[结果]以"尼米兹"级航空母舰作为案例进行求解,得到的机位排布方案能够在保证紧急出动舰载机数量的情况下最大化机库布列总数量,且布列方案满足实际业务约束与需求;与美军布列方案相比,机库甲板的面积利用率提高了16.92%。[结论]使用该算法可以有效地对舰载机机库布列问题进行求解。     

烟囱热排烟对舰船甲板风下洗影响的大涡模拟

采用低速气流运动控制方程组和湍流大涡模拟方法,研究迎面来风条件下、烟囱热排烟对舰船甲板风下洗气流的影响,得到舰船飞行甲板上空下洗与航向、横向速度随时间的变化。较无热烟气排出,热排烟使飞行甲板上方的下洗速度时均值减小,其脉动幅度增加;飞行甲板上距离机库门相同的位置上,越靠近首尾对称面,热排烟对下洗速度的影响越大;越靠近舰尾区域,热排烟对飞行甲板风下洗速度的影响越小。     

基于舰载机起降限制的舰船气流场特性评估方法初探

对具有搭载舰载机能力的舰船而言,其气流场特性的评估取决于对相应舰载机的起降气流条件限制。通过对美国LHA型舰缩比模型的数值建模,结合两种舰载机起降的气流场限制条件对计算结果进行对比分析。在相同定常来流工况下,分别以±15°风向角对该型舰数值模型的两个起降点进行模拟取值,结合直升机和固定翼短距/垂直起落飞机的起降特性和气流限制条件,尝试提出一种评估舰船气流场特性的直观方法,并得出不同甲板气流区域受上层建筑影响的有关结论。     

基于疲劳强度的舰船甲板支撑结构设计方法

舰船甲板支撑结构在受到高强度的海水和载重的压力作用时,容易产生断裂,为了提高舰船甲板支撑结构的抗压强度,提出一种基于疲劳强度优化的舰船甲板支撑结构设计方法。构建舰船甲板支撑结构的疲劳应力分布和屈服响应模型,采用有限元分析方法进行舰船甲板支撑结构的断裂行为评估和抗压能力预测,构建舰船甲板的机械荷载力学方程,通过对方程的优化求解得到满足最大疲劳强度和承载能力的应力系数,以此指导舰船甲板支撑结构设计。仿真测试结果表明,采用该方法进行舰船甲板支撑结构设计能提高支撑结构的载荷,疲劳应力强度得到提升。     

烟囱热排烟对舰船甲板风下洗影响的大涡模拟

采用低速气流运动控制方程组和湍流大涡模拟方法,研究迎面来风条件下、烟囱热排烟对舰船甲板风下洗气流的影响,得到舰船飞行甲板上空下洗与航向、横向速度随时间的变化。较无热烟气排出,热排烟使飞行甲板上方的下洗速度时均值减小,其脉动幅度增加;飞行甲板上距离机库门相同的位置上,越靠近首尾对称面,热排烟对下洗速度的影响越大;越靠近舰尾区域,热排烟对飞行甲板风下洗速度的影响越小。     

不同工况条件对舰船舰面空气流场的影响

随着舰载机及精密电子设备普遍装备现代舰船,与之相关的安全性及可靠性影响因素也逐渐受到关注[1].舰船舰面气流场对舰载机的安全起降影响显著.在不同的工况条件下,舰船气流场会产生变化,进而影响到舰载机的安全作业.本文利用缩比模型对舰船舰面空气流场进行数值模拟计算,观察工况条件发生变化时模型舰面气流场的变化情况.从模型的选取、参考舰船舰载机起降方式等方面加以讨论,对不同工况条件下舰船空气流场的数值计算结果进行了对比和分析.     

接触爆炸下舰船强力甲板塑性动态响应特性研究

基于舰船强力甲板结构和接触爆炸工况设计,采用非线性有限元计算方法对在不同炸药量下、不同尺寸的纵桁和强横梁的强力甲板进行接触爆炸数值模拟。分析球形炸药接触爆炸下空气冲击波的压力分布以及对甲板的冲击过程,结果显示强力甲板结构在接触爆炸下呈现出3种破坏模式,并通过定义构件相对强度因子,提出了破坏模式的判别条件,初步揭示舰船强力甲板在接触爆炸下的塑性动态响应特性。     

水面舰船风尾流效应减弱的模拟研究

采用低速气流运动控制方程组和湍流大涡模拟方法,研究了在机库门上方加设一斜板扰流器对正向风条件下水面舰船风尾流的影响,得到了斜板不同倾角下飞行甲板上方及舰船后方的流场结构。加装扰流板将增加飞行甲板上方区域的湍动能,扰流板倾角为30°和60°时,将减小飞行甲板上方区域左右两侧的最大湍动能。加装否扰流板和扰流板倾角大小,对飞行甲板上方显著湍动能出现的时间间隔影响不大。扰流板倾角为60°和30°时,飞行甲板上方区域航向速度与不加装扰流板差异不大;扰流板倾角为0°时,则航向速度明显增加;而扰流板倾角为90°时,则航向速度有所减小。当扰流板倾角为0°时,飞行甲板上方区域垂向速度分布与无扰流板时没有多少不同,当扰流板存在一定倾角时,机库门附近区域的下洗速度较无扰流板时有所下降,倾角为60°时下洗速度下降最明显;扰流板倾角对飞行甲板上方的下洗速度区域大小影响不大。     

基于排队论的大型舰船甲板弹射器数量研究

为明确大型舰船飞行甲板弹射器数量设计的理论依据,从调运指挥官的角度提出了"虚拟队列"概念,分析了其工作特点,对其工作模式进行了排队论建模.同时分析、建立了舰载机在弹射等待过程中的真实排队模型.忽略其它甲板因素的影响,基于排队论假设代入数值计算了不同弹射器数量对虚拟队列中舰载机的等待队长、系统等待耗时等关键指标的影响,使...     

基于相对熵排序的舰船甲板气流场评价方法

为有效开展对大型舰船甲板气流场的评估工作,提出一种基于相对熵排序的气流场评价方法。首先,数值模拟3艘国外大型舰船同一工况条件下的舰面空气流场状态,给出起飞、降落跑道气流场速度和甲板面压力变化等评价气流场的关键参数,然后,根据这些指标参数建立舰船甲板气流场的评价指标体系,其重要程度需依据相关领域的多位专家通过商讨后得出,最后,引入相对熵的概念改进传统的TOPSIS方法,对3艘舰船的气流场方案进行综合评价。应用实例表明,该方法可为舰船甲板气流场评价提供一种可行、有效的新途径。     

舰船气流场品质评估指标研究

舰船甲板气流场是载机舰船水线以上船体、上层建筑等的几何外形及布置设计的一个不能忽略的因素,它直接影响舰载机的起降安全.但目前还没有系统的舰船气流场品质评估指标.本文基于国内外舰船气流场研究成果,提出舰船气流场品质评估指标,主要包括速度大小和梯度、涡、湍流强度、频域谱等,并以一简化护卫舰模型(SFS)为计算对象,利用提出的评估指标对其进行评估,将数值模拟结果与试验进行对比,旨在为今后载机舰船气流场评估和水线以上船体外形及上层建筑设计提供借鉴.     

舰船气流场品质评估指标研究

舰船甲板气流场是载机舰船水线以上船体、上层建筑等的几何外形及布置设计的一个不能忽略的因素,它直接影响舰载机的起降安全。但目前还没有系统的舰船气流场品质评估指标。本文基于国内外舰船气流场研究成果,提出舰船气流场品质评估指标,主要包括速度大小和梯度、涡、湍流强度、频域谱等,并以一简化护卫舰模型(SFS)为计算对象,利用提出的评估指标对其进行评估,将数值模拟结果与试验进行对比,旨在为今后载机舰船气流场评估和水线以上船体外形及上层建筑设计提供借鉴。     

利用缩比模型CFD数值模拟计算舰船舰面空气流场相似准数的影响探讨

舰载航空系统是现代舰船的重要组成部分,舰船空气流场对舰载机起降的安全性有明显的影响,因此,舰船空气流场特性研究对全船总体性能具有重要意义.目前,对舰船空气流场的研究方法主要有实船测量、模型试验及数值模拟等方法,利用缩比模型对舰船舰面空气流场进行CFD数值模拟具有成本较低和周期较短的优点.缩比模型计算需要考虑相似性问题,文章针对此问题从缩比模型的采用、流场模型试验时相关的相似准数影响等方面加以讨论,其中还针对模型试验时不同雷诺数的影响进行了数值模拟计算.     

上层建筑形式及布局对舰船空气流场的影响

舰船上层建筑是诱发舰船舰面空气湍流的主要因素,对于具有全通飞行甲板的舰船,其岛式上层建筑的外形及布置则出现了多样化的趋势,对迎风方向后方的气流场形态势必会产生影响.为了解上层建筑外形及布局形式的变化对舰船空气流场,尤其是对舰载机起降影响的初步规律,通过定常同等试验工况条件下,建立多种形式的上层建筑以及变化研究模型上层建筑纵向的布置位置的数值三维模型,对5种模型分别进行数值模拟计算,分析和观察由此产生的气流场变化,对计算结果进行取值分析.通过各模型及原型舰模型间气流场特性的对比,所得出的有关结论与目前实际的舰船产品所采用的布置形式决策是一致的.     

航母甲板侵彻效应的数值仿真模型研究

采用数值仿真方法,建立半穿甲战斗部对航母甲板侵彻效应的数值仿真计算模型;确定了材料模型及参数;结合相关试验数据对模型进行验证。结果表明,在选取的6个正侵彻算例和3个斜侵彻算例中,弹丸穿过靶板后的剩余速度与相关参考文献中的相应实验测定值之间的最大相对误差和平均相对误差分别为6.81%和2.37%,且计算得到的破坏模式与实验结果相一致,验证了模型的有效性。该模型可应用于半穿甲战斗部侵彻航母甲板的毁伤效应研究。     

航母舰载机降落制动滑跑距离分析及预报

舰载机成功钩住阻拦索后的减速制动作业受到阻拦索、空气阻力等众多因素的影响。是一个较为复杂的过程。以牛顿第二定律为基础，通过对基本关系方程的推导、求解，并考虑舰载机运动状态的主要影响因素，确定舰载机在航母甲板上减速制动过程中，其滑跑长度、瞬时速度、钩索速度、回航质量、阻拦索长度等基本要素之间的关系，并使用Mathematica软件解出关系式，预报同航舰载机在某条件下的减速制动过程及滑跑距离，最后绘制出二维及三维关系图谱，为相关舰艇的甲板主尺度估算及设计提供理论依据。     

舰船动力系统排烟对甲板上方空间温度场影响的数值分析

[目的]现代舰船动力系统排出的高温烟气对甲板上方高精度电子设备可靠工作和舰载机等作业单元的安全起降等具有重要影响,因此开展这些方面的研究工作非常重要。[方法]利用Fluent软件对某型舰船甲板上方空间温度场进行数值计算。选取舰船航行的典型风向,针对4种不同工况分析高温排气走向、舰船上层建筑壁面温度分布及关键停机坪上方温度场分布。[结果]结果显示,在30°风向下,位于舰船上层建筑背风侧的1,2号停机坪总会受到高温烟气的影响,使得安全起降受到威胁;同时,在低风速情况下,上层建筑表面受到高温烟气影响的区域面积更大,最大可达73 m~2。[结论]研究建议舰载直升机应尽量避免在30°风向下在1,2号停机坪处起降,电子仪器设备的布置应尽量避开受高温烟气影响较大的区域。     

球形炸药水下爆炸的舰船空化效应研究

运用通用软件MSC.Dytran建立舰船、炸药和水域的有限元模型,并利用该软件进行有限元分析,准确地模拟出了爆炸冲击波在水中的传播过程、空化效应以及整船结构的动态响应,为舰船的抗冲击性能分析提供了输入条件。通过数值模拟可知:炸药水下爆炸后产生的冲击波会以球面波的形式传播开来,速度接近水中声速;冲击波的瞬时压力与时间的关系呈指数分布,但在水面附近由于空化效应迅速衰减,与库尔理论吻合较好。水中爆炸产生的冲击波是影响舰船冲击响应的主要因素,尤其是冲击波的垂向作用影响更大;冲击载荷主要作用集中在舰底,其所承受的应力要比上层建筑大很多,全船的最大应力就集中在船肿的迎爆面位置。水下爆炸产生的冲击波最先作用到舰底,接着冲击振动通过舰船的垂向结构会向上层快速传递,一直传到甲板和上层建筑为止,与此同时垂向结构也会降低冲击振动的强度,所以舰船上层构件所受到的冲击响应会小于舰船底部或舰船舭部,并呈逐步减小的趋势。     

排水型水面舰船尾板参数优化设计

[目的]尾板设计一般追求高速减阻,对于同时以巡航和设计航速为优化目标的水面舰船尾板设计,其航速覆盖范围广,需重点对尾板参数的选取予以研究。[方法]采用计及航行姿态的粘性兴波流场数值模拟与模型试验验证相结合的设计方法,开展尾板多工况参数化优化设计。通过多方案数值仿真与阻力、自航模型试验的对比分析,总结得出尾板长度和下反角对于排水型水面舰船巡航和设计航速减阻节能的影响规律,并对CFD数值模拟结果的有效性进行初步的分析验证。[结果]结果表明,通过对尾板参数的优化,巡航航速约可节能3%,设计航速约可节能5%,达到了巡航和最大航速同时实现减阻节能的设计目标。[结论]所做研究可为后续排水型水面舰船尾板参数的优化设计提供理论支撑。