近艦區(qū)艦艉流數(shù)值仿真研究

孫 顥

(陜西長嶺電子科技公司 產(chǎn)品開發(fā)部，陜西 寶雞 721006)

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近艦區(qū)艦艉流數(shù)值仿真研究

孫 顥

(陜西長嶺電子科技公司 產(chǎn)品開發(fā)部，陜西 寶雞 721006)

艦船在航行過程中會受到海洋大氣環(huán)境的影響，導(dǎo)致在艦船艉部會產(chǎn)生艦艉流。在艦載機(jī)著艦的過程中，艦艉流的存在會對艦載機(jī)產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致艦載機(jī)著艦安全性和飛行品質(zhì)的降低。文中研究了艦載機(jī)進(jìn)艦過程中艦艉流的影響，結(jié)合美軍標(biāo)MIL-F-8785C中關(guān)于艦艉流的相關(guān)說明，在Matlab環(huán)境中建立艦艉流模型并仿真艦艉流速度的空間分布，最終得到艦艉流在水平方向和垂直方向產(chǎn)生的總擾動速度。該仿真結(jié)果需要實測數(shù)據(jù)進(jìn)一步確認(rèn)。

艦艉流；大氣紊流；Dryden模型

SUN Hao

(Product Development Department, Shaanxi Changling Electronic Technology Co. Ltd, Baoji 721006, China)

艦載機(jī)在進(jìn)艦與著艦過程中對其航跡控制有著嚴(yán)格的要求，而航行中的艦船在艉部會產(chǎn)生艦艉流，艦艉流的存在對艦載機(jī)著艦航跡的穩(wěn)定性有較大影響，從而對艦載機(jī)著艦安全性造成不利影響。艦艉流特性復(fù)雜，難以描述出一個簡單而可靠的模型。目前，國內(nèi)外學(xué)者對艦艉流模型的模擬主要有3種方法，即頻域方法、數(shù)據(jù)庫法和工程化方法、頻域方法適合于線性系統(tǒng)和能以頻譜方式給出的紊流，但艦艉流構(gòu)成復(fù)雜，影響因素較多，難以給出通用的頻譜模型，一般需要結(jié)合實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)庫法需要大量的艦艉流實測數(shù)據(jù)的支持以便進(jìn)行分析。工程化方法主要依據(jù)艦艉流的物理特性和成因建立工程化模型，尤其以美軍標(biāo)MIL-F-8785C所描述的模型較為完善，該模型給出了艦船艉流擾動速度的空間分布，適合進(jìn)行計算機(jī)仿真研究。

美軍標(biāo)MIL-F-8785C中的艦艉流模型具有兩個突出的特點：即模型的數(shù)學(xué)描述比較簡單，且模型中使用了一些和飛機(jī)動力學(xué)特性及飛行品質(zhì)有直接關(guān)系的參數(shù)。在美軍標(biāo)MIL-F-8785C中規(guī)定[1]，進(jìn)艦著艦中的艦艉流大氣總擾動速度主要由4部分組成：海面自由大氣紊流分量u1、v1、w1；艦船艉流的穩(wěn)態(tài)分量u2、w2；艦船艉流的周期性分量u3、w3；艦船艉流的隨機(jī)紊流分量u4、v4、w4。

總擾動分量按下式計算

ug=u1+u2+u3+u4

(1)

vg=v1+v4

(2)

wg=w1+w2+w3+w4

(3)

其中，ug是沿水平方向平移的干擾速度分量，向前為正；vg是沿著豎直方向平移的干擾速度分量，沿駕駛員右手為正；wg是沿垂直方向平移的干擾速度分量，垂直向下為正。

1 海面自由大氣紊流

海面自由大氣紊流分量是與飛機(jī)和艦船相對位置無關(guān)的量[2]，呈各向異性，可由白噪聲信號輸出到濾波器而得到。在美軍標(biāo)中，其空間功率譜模型為Dryden模型[1]，頻譜為單邊功率譜，其形式為

(4)

(5)

(6)

上式中，空間功率譜的單位為(m/s)2/(rad/m);Ω為空間頻率，單位rad/m。

傳統(tǒng)的仿真大氣紊流的方法是以時間頻譜為基礎(chǔ)，利用譜分解定理，得到所需的成型濾波器結(jié)構(gòu)，進(jìn)而生成紊流遞歸模型[3]。使用傳統(tǒng)方法時需要對模型進(jìn)行簡化，以便進(jìn)行譜分解，但簡化的模型其統(tǒng)計特性會受到影響[4]。本文采用空間相關(guān)函數(shù)，通過建立離散自遞歸模型的方法進(jìn)行模擬[5]，最終得到大氣紊流仿真的一個片段，如圖1所示。

圖1 海面自由大氣紊流分量

2 艦船艉流穩(wěn)態(tài)分量

艦船艉流的穩(wěn)態(tài)分量是由艦船艉流的靜態(tài)分量組成，按照美軍標(biāo)MIL-F-8785C的規(guī)定[1]，當(dāng)艦船的運動狀態(tài)不變時，艦船艉流的穩(wěn)態(tài)分量也保持不變。坐標(biāo)原點在艦船縱搖中心處，方向向前為正，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 艦船艉流的穩(wěn)態(tài)分量

從圖中可看出，從艦艉開始到距離艦船縱搖中心處約250 m處，為微弱的下洗，而自距離艦船縱搖中心約250 ～750 m處始終是上洗，且相對下洗而言幅度較大，這種氣流的變化不利于飛機(jī)著艦[6-7]。

3 艦船艉流周期性分量

艦船艉流的周期性分量，是艦船的周期性縱搖和垂蕩運動誘導(dǎo)造成的，且隨艦船的縱搖角頻率ωp、縱搖幅值θ、甲板風(fēng)速Vwod以及到艦船縱搖中心的距離x而變化，[8-10]可以按照下式[1]計算

u3=θ·Vwod·(2.22+0.00259·x)·C

(7)

w3=θ·Vwod·(4.98+0.0059·x)·C

(8)

(9)

當(dāng)x<703 m時,u3為0；當(dāng)x<794 m時,w3為0。式中，u3為水平擾動速度；w3為垂直擾動速度。

假設(shè)艦船縱搖幅值為2°，飛機(jī)著艦速度V=65 m/s，甲板風(fēng)速Vwod=18 m/s，p為隨機(jī)相位，艦船艉流周期性分量模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 艦船艉流的周期性分量

4 艦船艉流的隨機(jī)紊流分量

艦船艉流的隨機(jī)紊流分量是由于艦船的存在而造成的隨機(jī)大氣紊流。按照美軍標(biāo)MIL-F-8785C中的規(guī)定[1]，模擬這部分艦船紊流分量時，可將偽隨機(jī)數(shù)作為輸入，經(jīng)過一個洗出濾波器去除低頻分量，然后乘以單位正弦波將信號譜搬移到期望的頻率范圍[11-13]，可按照下式[1]計算

(10)

(11)

式中，

(12)

其中，σ(x)為均方根；τ(x)為時間常數(shù)，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 艦船艉流的隨機(jī)紊流分量

5 艦船艉流完整模擬

綜合以上4種分量，設(shè)定計算條件為：艦船縱搖幅值為2°；縱搖角頻率為0.698 rad/m；飛機(jī)速度為65 m/s；甲板風(fēng)速18 m/s，在艦艉后1 000 m內(nèi)，距離間隔為1 m，時間t=0.01 s，通過仿真得到艦艉紊流的空間分布，如圖5所示。

圖5 艦船艉流完整模擬

從圖中可以看出，紊流速度縱向分量的變化比較明顯，其風(fēng)速變化特征大致呈現(xiàn)出3個階段：艦艉后600～1 000 m可為第一階段，紊流速度橫向分量大致在2 m/s范圍內(nèi)，影響不大，自由大氣擾動是主要誘因；艦艉后200～600 m可為第二階段，風(fēng)速變化呈現(xiàn)出周期性振蕩特征，初步斷定艦船艉流周期性分量是主要誘因；艦艉后200 m以內(nèi)為第三階段，這一階段的風(fēng)速變化最具特點，風(fēng)速從正向迅速變化到負(fù)向，風(fēng)速變化的絕對值可達(dá)5 m/s，風(fēng)速的突變強(qiáng)烈，而這樣的風(fēng)速變化特點是最不利于飛機(jī)著艦的，會導(dǎo)致飛行員判斷失誤，著艦失敗。紊流速度橫向擾動變化較為溫和，風(fēng)速大致在零值上下抖動，風(fēng)速變化的絕對值主要在2 m/s以內(nèi)，影響較小。

紊流速度垂向擾動變化較為劇烈，判斷其主要受艦船艉流周期性分量和隨機(jī)紊流分量的共同影響，艦船艉流周期性分量擾動的量級較大。

6 結(jié)束語

艦船艉流是一種受自由大氣擾動、艦船運動、海情影響的復(fù)雜非定常流場，還與艦船構(gòu)型尤其是甲板建筑物有關(guān)。真實情況的精確模擬只有在大量的實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上才有可能實現(xiàn)。本文從美軍標(biāo)規(guī)定的艦船艉流基本組成成分出發(fā)進(jìn)行了模擬仿真，有助于擬合理論曲線與實測結(jié)果。

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Research on Numerical Simulation of Air Wake in Aircraft’s Approaching

Air wake will be generated behind the body of the ship which voyages in the sea under the influence of the oceanic atmospheric environment. The existence of the air wake will greatly affect the carrier-based aircraft, resulting in the decline of the safety and the flight quality of the aircraft in its approaching and landing. A ship air wake model is built to study the impacts on the carrier-based aircraft in its approaching and landing where the ship air wake exists, and the spatial distribution of the velocity of the air wake are simulated in Matlab on a PC with reference to the specifications of the MIL-F-8785C standard. The total turbulence velocity of the air wake is finally obtained in horizontal and vertical directions. The conclusion from the simulation of the model needs to be further validated by more experimental data.

air wake; atmospheric disturbance; Dryden model

2016- 02- 13

孫顥(1984-)，男，碩士，助理工程師。研究方向：雷達(dá)信號處理，雷達(dá)環(huán)境建模仿真。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.022

TN391.9

A

1007-7820(2016)10-076-04