航母甲板風(fēng)對(duì)艦載機(jī)進(jìn)艦軌跡流場(chǎng)影響分析

賁亮亮，魏小輝，劉成龍，浦志明，尹喬之

(南京航空航天大學(xué)飛行器先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，航母的重要性日益凸顯，艦載機(jī)作為航母的主要攻擊武器，其重要性不言而喻。然而艦載機(jī)的著艦環(huán)境惡劣，尤其是艦船的艦尾流場(chǎng)對(duì)飛機(jī)著艦影響很大，是困擾艦載機(jī)安全著艦的關(guān)鍵因素之一。

目前，不少研究者對(duì)艦尾流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算研究。耿建中等認(rèn)為雄雞尾流是艦尾流的主要組成部分［1］;彭兢等在Matlab環(huán)境中模擬了艦尾流的速度空間分布［2］;陸超等利用縮比模型對(duì)艦面空氣流場(chǎng)進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，并得出在定常條件下利用縮比模型對(duì)艦船艦面空氣流場(chǎng)的CFD數(shù)值模擬計(jì)算可不考慮相似準(zhǔn)數(shù)的影響［3］;Shawn H.Woodson等利用CFD技術(shù)及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)2個(gè)方面介紹了直升機(jī)在驅(qū)逐艦上的運(yùn)作［4］;Susan Polsky等則利用CFD技術(shù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比較了驅(qū)逐艦降落甲板附近的氣流特性［5］。

本文基于Ansys軟件，對(duì)“尼米茲”級(jí)航空母艦的艦尾氣流進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)不同風(fēng)速和風(fēng)向角下艦載機(jī)進(jìn)艦軌跡上的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析。

1 建立流場(chǎng)仿真分析模型

1.1 選取參考模型

選取的參考模型是美國(guó)“尼米茲”級(jí)航空母艦的三維簡(jiǎn)化模型。建立的“尼米茲”級(jí)航空母艦水線(xiàn)以上簡(jiǎn)化三維模型如圖1所示。模型以艦尾方向?yàn)閤軸方向，以航母右舷方向?yàn)閥軸方向，以垂直于艦面向上為z軸方向。

圖1 “尼米茲”級(jí)航空母艦水面線(xiàn)上簡(jiǎn)化三維模型Fig.1 Simplified 3D model of the nimitz-class carriers on the water

1.2 流場(chǎng)仿真網(wǎng)格劃分

基于Ansys軟件采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)整個(gè)流場(chǎng)分析區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。遠(yuǎn)場(chǎng)取10倍航母特征長(zhǎng)度。本算例網(wǎng)格數(shù)量170萬(wàn)，如圖2所示。

圖2 本算例的網(wǎng)格示意圖Fig.2 Diagram of the mesh in this example

2 艦載機(jī)的進(jìn)艦軌跡

建立的航母模型斜角甲板角度為10°，長(zhǎng)240 m，寬22 m，理想著艦時(shí)艦載機(jī)是以沿斜角甲板方向并與水平面成4°的夾角飛行，成功著艦時(shí)尾鉤勾住第2根攔阻索 (本文不考慮艦面的運(yùn)動(dòng)，設(shè)定艦面為水平)。進(jìn)艦軌跡以理想著艦點(diǎn) (第2根和第3根攔阻索中心位置)為原點(diǎn)，沿著斜角甲板中心線(xiàn)與艦面成4°角向后延伸至800 m處［6］，如圖3所示。

圖3 艦載機(jī)理想進(jìn)艦軌跡示意圖Fig.3 Diagram of the ideal landing trajectory of carrier-based aircraft

3 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)的邊界條件設(shè)定

“尼米茲”級(jí)航母航速一般為30 kn(約合15 m/s)，加之海面的風(fēng)力一般在0～25 m/s范圍內(nèi)，所以甲板風(fēng)初步認(rèn)定在0～40 m/s范圍之內(nèi)。由于速度數(shù)值較小，因此在Fluent軟件中采用基于密度的SIMPLE算法，入流面采用速度入口，出流面采用壓力出口。海面設(shè)置為滑移壁面，湍流模型采用S－A湍流模型［7］。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

為具體分析不同風(fēng)速和風(fēng)向角下艦載機(jī)進(jìn)艦軌跡上的流場(chǎng)特性，本文分別從相同風(fēng)向角不同風(fēng)速和相同風(fēng)速不同風(fēng)向角2個(gè)方面進(jìn)行分析。

3.2.1 相同風(fēng)向角不同風(fēng)速下的結(jié)果分析

由于甲板風(fēng)的范圍在0～40 m/s范圍內(nèi)，本文采用以下4種工況進(jìn)行對(duì)比分析:

1)甲板風(fēng)為7 m/s，風(fēng)向角為0°;

2)甲板風(fēng)為15 m/s，風(fēng)向角為0°;

3)甲板風(fēng)為25 m/s，風(fēng)向角為0°;

4)甲板風(fēng)為40 m/s，風(fēng)向角為0°。

對(duì)進(jìn)艦軌跡上的氣流場(chǎng)進(jìn)行取值，并沿著著艦軌跡繪制垂向(z軸方向)和側(cè)向(y軸方向)的速度曲線(xiàn)圖，結(jié)果如圖4所示。

表1 在0°風(fēng)向角不同風(fēng)速下進(jìn)艦軌跡上的最大及最小垂向速度Tab.1 Maximum and minimum vertical velocity of the ideal landing trajectory with different wind speed under 0°wind angle

圖4為理想進(jìn)艦軌跡上0°風(fēng)向角不同風(fēng)速下垂向及側(cè)向速度分布。表1列出了0°風(fēng)向角不同風(fēng)速下進(jìn)艦軌跡上最大及最小垂向速度。

從圖4(a)中可以看出，在不同的甲板風(fēng)速下，垂向速度走勢(shì)基本一致，氣流在進(jìn)艦軌跡末尾階段有明顯的下洗現(xiàn)象，這是由于艦尾空氣稀薄，氣流在流經(jīng)艦尾平坦尾突后，向下進(jìn)行補(bǔ)充形成的;從圖4(b)中可以看出，當(dāng)甲板風(fēng)為7 m/s和15 m/s時(shí)，側(cè)向速度走向一致，且變化幅度較小;而當(dāng)甲板風(fēng)達(dá)到25 m/s和40 m/s時(shí)，側(cè)向速度變化明顯，且甲板風(fēng)越大，變化越劇烈，系因氣流在艦尾拖出的漩渦造成。

從表1和圖4可以得出以下結(jié)論:

圖4 理想著艦軌跡上0°風(fēng)向角不同甲板風(fēng)速下進(jìn)艦軌跡上的垂向、側(cè)向速度分布Fig.4 Velocity profile of the ideal landing trajectory with different wind speed under 0°wind angle

1)進(jìn)艦軌跡上，垂向速度走勢(shì)基本一致，但峰值隨著甲板風(fēng)的增加而增大，當(dāng)甲板風(fēng)速達(dá)到25 m/s時(shí)，峰值變化減弱。

2)由于垂向速度在進(jìn)艦軌跡末尾階段急劇下降，因此艦載機(jī)在進(jìn)艦?zāi)┪搽A段應(yīng)注意增大迎角，防止撞艦。

3.2.2 相同風(fēng)速不同風(fēng)向角下的結(jié)果分析

為具體分析風(fēng)向角的變化對(duì)進(jìn)艦軌跡上氣流場(chǎng)的影響，本文選定以下4種工況進(jìn)行對(duì)比分析:

1)風(fēng)向角為0°，甲板風(fēng)為15 m/s;

2)風(fēng)向角為15°(以沿x軸方向逆時(shí)針為正)，甲板風(fēng)為15 m/s;

3)風(fēng)向角為30°，甲板風(fēng)為15 m/s;

4)風(fēng)向角為60°，甲板風(fēng)為15 m/s。

圖5為進(jìn)艦軌跡上15 m/s來(lái)流不同風(fēng)向角下的垂向、側(cè)向速度分布。表2列出了在不同風(fēng)向角下著艦軌跡上最大垂向風(fēng)強(qiáng)度和最大側(cè)向風(fēng)強(qiáng)度。

結(jié)合圖5和表2可以看出，在不同的風(fēng)向角下，垂向速度走勢(shì)相似，但峰值相差較大;在有風(fēng)向角的工況下，側(cè)向速度峰值變化明顯，且隨著風(fēng)向角的增大，峰值也隨之增大。

表3為艦載機(jī)在不同的進(jìn)艦條件下允許的側(cè)風(fēng)強(qiáng)度［8］。

圖5 理想著艦軌跡上15 m/s甲板風(fēng)不同風(fēng)向角下進(jìn)艦軌跡上的垂向、側(cè)向速度分布Fig.5 Velocity profile of the ideal landing trajectory with different wind angle under 15m/s wind speed

表2 15 m/s甲板風(fēng)不同風(fēng)向角下進(jìn)艦軌跡上最大垂向風(fēng)強(qiáng)度和最大側(cè)向風(fēng)強(qiáng)度Tab.2 Maximum vertical and lateral wind strength of the ideal landing trajectory with different wind angle under 15 m/s wind speed

表3 艦載機(jī)在不同的進(jìn)艦條件下允許的側(cè)風(fēng)強(qiáng)度Tab.3 Allowable lateral wind strength of carrier-based aircraft under different landing conditions

從表3可以看出，在0°風(fēng)向角時(shí)，由于最大側(cè)向風(fēng)強(qiáng)度只有0.29 m/s，飛機(jī)通過(guò)自身的航向穩(wěn)定性就能抵御側(cè)風(fēng)影響，不需要駕駛員的操作;而當(dāng)風(fēng)向角在15°和30°的時(shí)候，側(cè)向風(fēng)強(qiáng)度分別達(dá)到了3.81 m/s和7.81 m/s，因此在有駕駛員操縱的情況下允許著艦，但應(yīng)注意強(qiáng)側(cè)風(fēng)的影響，隨時(shí)調(diào)整偏航角，保證飛機(jī)正常著艦;而當(dāng)風(fēng)向角達(dá)到60°時(shí)，側(cè)向風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到13.9 m/s，超出了允許的側(cè)風(fēng)強(qiáng)度，艦載機(jī)在此工況下難以安全著艦。

3.3 圖像結(jié)果分析

為了更直觀的分析不同速度和風(fēng)向角下艦載機(jī)進(jìn)艦軌跡上的氣流影響，本文利用Ensight的三維流線(xiàn)顯示功能對(duì)該艦尾區(qū)域進(jìn)行顯示。

圖6為不同甲板風(fēng)和風(fēng)向角下的三維流場(chǎng)圖。

圖6 不同甲板風(fēng)和風(fēng)向角下的三維流場(chǎng)圖Fig.6 3D flow field chart with different wind speed and different wind angle

從圖6可以看出，15 m/s甲板風(fēng)0°風(fēng)向角時(shí)，經(jīng)過(guò)航母的流線(xiàn)較為光順，艦尾氣流有明顯下洗跡象;而在40 m/s甲板風(fēng)0°風(fēng)向角時(shí)，氣流在經(jīng)過(guò)航母特別是上層建筑時(shí)，流線(xiàn)有明顯的波動(dòng);在15 m/s甲板風(fēng)30°風(fēng)向角時(shí)，可以看到氣流在經(jīng)過(guò)航母后在艦尾形成漩渦，艦尾氣流擾動(dòng)嚴(yán)重。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了“尼米茲”級(jí)航空母艦的艦尾氣流仿真分析模型，并進(jìn)行流場(chǎng)仿真。分析了不同風(fēng)速和風(fēng)向角下艦載機(jī)進(jìn)艦軌跡上的流場(chǎng)特性。分析表明:

1)在不同風(fēng)速和風(fēng)向角的情況下，艦載機(jī)進(jìn)艦軌跡上垂向風(fēng)走勢(shì)基本一致，在進(jìn)艦軌跡末尾階段有明顯的下洗現(xiàn)象，且峰值隨著風(fēng)速和風(fēng)向角的增大而增大。艦載機(jī)進(jìn)艦時(shí)，駕駛員應(yīng)注意增大迎角，防止撞艦。

2)側(cè)向風(fēng)隨著甲板風(fēng)的增加而震蕩加劇，且風(fēng)向角越大，側(cè)向風(fēng)峰值也隨之增加。艦載機(jī)進(jìn)艦時(shí)，駕駛員應(yīng)協(xié)調(diào)副翼和方向舵，使飛機(jī)保持一定的側(cè)滑角和滾轉(zhuǎn)角;且由于艦載機(jī)所能抗御的最大側(cè)風(fēng)風(fēng)速是一定的，必須保證進(jìn)艦過(guò)程中的側(cè)風(fēng)強(qiáng)度在允許范圍內(nèi)。

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