載機艦船初步甲板風包絡的一種建立方法

賀少華　劉東岳　譚大力　劉　平

(海軍裝備研究院　北京　100161)

載機艦船初步甲板風包絡的一種建立方法

賀少華劉東岳譚大力劉平

(海軍裝備研究院北京100161)

摘要：研究提出一種甲板風包絡建立方法，包括流場相似性要求，CFD數值模擬、風洞縮比模型試驗、海上實船測試，以及數據的對比，驗證和安全甲板風包絡的繪制，以某型艦船為例，給出了方法的具體實現(xiàn)示范.該種甲板風包絡可以用來指導下一步實際起降飛行試驗，降低實際起降飛行試驗的成本，提高實際起降飛行試驗的安全性，加快最終正式包絡線的生成.

關鍵詞：艦船氣流場；甲板風包絡；CFD 仿真；風洞試驗；實船試驗

賀少華(1981- )：男，工程師，在站博士后，主要研究領域為工程結構與力學

0引言

在內容豐富的艦機適配性測試與評估中，有一項十分重要的測評工作，稱為DI測評(dynamic interface).艦載機起降作業(yè)主要是艦-氣-機組成的復雜系統(tǒng)的一個動力學行為，飛行動力學與空氣流體動力學、艦船運動之間(接口)的適配.DI測評的直接結果為艦載機對應母艦的飛行安全包線，即甲板風包絡，對于一型艦載機和一型母艦來說，該艦機組合的安全甲板風包絡的獲得通常需要經過高成本且十分耗時(一般需要數月的時間)的海上飛行試驗，為完成該試驗，艦載機需要進行多次起降，如每5 km風速、每15°風向角一種飛行試驗工況.對于有多個著艦點的艦船如大型兩棲艦艇來說，必須對每一個著艦點進行試驗.該試驗受飛行員水平、氣候條件等不定因素的干擾，此外，安全也是一個大問題.從20世紀90年代開始，以美國海軍航空系統(tǒng)司令部、賓夕法尼亞州立大學、安納波利斯海軍學院，英國利物浦大學、南安普敦大學、克蘭菲爾德技術學院，以及西班牙、澳大利亞、加拿大等國的研究機構，開始了將CFD數值模擬運用到艦船DI問題即氣流場相關問題上來[1-7].

艦船周圍的氣流場環(huán)境非常復雜，且受多種條件影響.陸基飛機起降多在開闊的平地進行，空氣流場的湍流水平低，流動穩(wěn)定；而對于艦載機載在艦上的起降，由于艦船的存在，氣流場的湍流強度大，且不穩(wěn)定，還受艦船運動的影響，對于不同的艦船來說，其氣流場特征都是不一樣的.艦船在執(zhí)行航行、作戰(zhàn)等任務時，其航向和甲板合成風速不可能只是為了滿足艦載機的起降.因此，艦載機多在非最理想的風況中進行起降，但存在一個限制范圍(甲板風包絡，wind over deck envelope，在GJB 3464-98中被稱之為風限圖).該限制范圍一般不由艦載機設計或使用單位給出，而是由母艦設計或使用單位給出，因為該限制范圍更大程度上取決于母艦即艦載機起降環(huán)境.艦船氣流場特征特別是在飛行甲板空域和艦載機著艦路徑上的特征，一般通過縮比模型風洞試驗或CFD仿真獲得，之后通過實船試驗驗證前者的準確性；或者直接采用CFD數值模擬，之后通過風洞試驗或實船試驗驗證.基于獲得的艦船氣流場特征，初步的安全甲板風包絡可通過艦船氣流場對艦載機的初步影響評估得到，之后通過實際飛行試驗來校核，得到最終的安全甲板風包絡.典型的甲板風包絡圖見圖1，半徑表示合成風速的大小，弧度表示相對艦船運動的風向角，深顏色扇形塊表示晝間起降時的安全甲板風包絡，加上淺顏色扇形塊表示白天起降時的安全甲板風包絡.

圖1　甲板風包絡示意圖

本文將提出一種初步的安全甲板風包絡建立方法，依據該類安全甲板風包絡，下一步可開展實際艦載機起降飛行試驗，最終得到該型艦載機-該型母艦組合的安全甲板風包絡.

1流場相似性要求

艦船坐標系及各速度關系見圖2.

圖2　艦船坐標系及各速度關系

設全尺寸模型遠場自由來風風速為VT，縮比模型風洞試驗入口風速為Vt，兩者的速度比為λv=VT/Vt，由于運動學相似要求全尺寸模型和縮比模型各點具有相同的速度比，即Vm/Vp=λv=VT/Vt.因此

2艦船表面粗糙度的考慮

Jensen數 (Je)為量綱一的量數，其定義表達式為：艦船特征長度Lc與表面粗糙尺度(surface roughness length) Z0的比值Je=Lc/Z0，當Jensen 數超過一定值時，一般為2 000[8]，艦船表面粗糙尺度效應與Je無關，即艦船表面邊界層效應不會影響縮比不同模型間的驗證.典型的艦船表面的粗糙尺度Z0≈10-2m，根據上面的公式，特征長度Lc≈2 m，才能滿足Je=2 000,對于艦船來說，特征長度一般在101m數量級，均滿足Je>2 000的要求，因此，風洞縮比模型試驗中，縮比模型的表面狀況不需要模擬實船.

3CFD數值模擬要求

假設CFD數值模擬中，遠場來風風速為10 m/s，艦船長度為100 m.風洞縮比模型比為1∶100，風洞入口速度為25 m/s，根據上面推導，假設風洞試驗測試時間為10 s，對應的量綱一的量時間數為250.CFD數值模擬相同的量綱一的量時間數，則數值模擬(精確時間求解)時間為2 500 s.根據之前的計算實踐，對于500萬左右的計算域總網格數，模擬1s的時間在1臺12核的計算機上就需要計算1～2 d的時間，全部時間計算下來得幾年時間，這還只是一種風況.為得到不同風況時的艦船氣流場特征，一般5～40 kn之間每5 kn風速、0°～360°甲板風向角之間每15°風向角一種風況，全部風況計算下來，需要的時間非常漫長，無法工程應用，即使采用現(xiàn)代計算機集群并行計算，需要的計算時間也是十分漫長，不便于工程應用.幸運地是，根據以往研究經驗，艦船不穩(wěn)定氣流場的主頻為10-1～100數量級Hz左右，CFD數值模擬只需要模擬量綱一的量時間數為100數量級，即約101數量級秒的時間.很顯然，由于試驗可測量時間長，它對流場不穩(wěn)定低頻的捕捉要優(yōu)于數值模擬；但是，由于數值模擬的時間步長可以任意的小，而試驗測試的采樣頻率總是有限的，因此，數值模擬對高頻的捕捉即對流場中小渦的捕捉能力要更占優(yōu).當然，CFL數的限制又使得數值模擬的時間步長不能過小，網格單元過小會增加計算代價.

4縮比模型風洞試驗

為模擬不同風向角，在風洞里，艦船縮比模型一般固定在一原形托盤上，托盤設計成可旋轉式，每10°角進行一次測量，每個方向角重復測量3次以上，以保證結果的合法性.

數值模擬得到的用于與試驗進行對比的無量綱化速度為計算得到的速度平均值除以速度進口風速；風洞試驗測得數據的無量綱化方式與數值模擬相同，但是由于自由來流的速度不可能為恒定值，因此，量綱一的量化時的分母為測得的自由來流速度的x,y2個方向平均速度的模.縮比模型風洞試驗測得的關注點速度的無量綱化公式為

式中：ulda，vlda為通過LDA測得的關注點的速度平均值；Vt為測得的自由來風平均速度的模.

將速度進行歸一化處理，得到關注點2個方向上的速度為

5海上實船測試試驗

以風速為10 m/s，甲板風向角0°為例進行說明.實船海上測量一般采用超聲風速儀測量艦船包絡空間內任意點的速度.按照風洞縮比模型試驗數據處理方法，將艦上實測得到的有關值進行無量綱化，公式為

超聲風速儀布置時，除在關注點布置以外，一般還需要在艦艏單獨布置，以便對實際來風風速進行校核，且其x,y2個方向平均速度的模作為關注點速度量綱一的量化時的分母.布置的高度可先通過數值模擬來決定，應盡量布置在自由來流區(qū)域，避免布置在艦艏渦中，見圖3a).

圖3　艦首超聲風速儀布置及風速分布

假設某型艦船經過測量得到艦艏位置900個風速數據(0°甲板風方向)，分布見圖3b)，這900個數據從-11.11～-7.76 m/s ，平均速度為9.41 s，均方差為0.51 m/s.在飛行甲板上空關注點位置測得的速度分布圖見圖4，在x方向，這900個數據從-5.85～0.76 m/s ，平均速度為-2.58 m/s，均方差為1.31 m/s；在y方向，這900個數據從-4.40～4.97 m/s ，平均速度為-0.02 m/s，均方差為1.12 m/s.

圖4　飛行甲板空域關注點測量數據

6數據的對比驗證

將縮比模型風洞試驗數據與海上實船測試數據進行線性回歸分析，計算得到Pearson相關系數.某型艦船得到的不同風向角下的縮比模型風洞試驗和海上實船試驗的某關注點無量綱速度對比見圖5；圖6為兩者的Pearson相關系數，可以看出兩者具有很高的相關性(在u向的Pearson相關系數為0.86，在v向的Pearson相關系數為0.99).湍流強度的對比如圖7所示，兩者的區(qū)域是一致的，只是在單個點上存在值的差異，在-30°風向角和+30～+40°風向角時湍流強度較大，最大湍流強度在37%左右.

圖5　不同風向角時的?量綱-的量速度對比

圖6　風速數據的回歸分析

7甲板風包絡線的繪制

假設艦載機的安全極限風速為ulim，vlim，根據以上分析，在風向角為φ的條件下，風速上限由以下四種計算風速的最小值決定：

圖7　湍流強度對比

即

8結束語

本文提出了一種初步的甲板風包絡建立方法，包括流場相似性要求，數據的無量綱化方法，CFD數值模擬、風洞縮比模型試驗、海上實船測試及數據的對比驗證和初步安全甲板風包絡的繪制，以某型艦船為例，給出了方法的具體實現(xiàn)示范.該種初步甲板風包絡可以用來指導下一步實際起降飛行試驗，降低實際起降飛行試驗的成本，提高實際起降飛行試驗的安全性，加快最終正式包絡線的生成.

參 考 文 獻

[1]賀少華, 劉東岳. 載機艦船氣流場相關研究綜述[J]. 艦船科學技術, 2014, 36(2):1-7.

[2]POLSKY S A. Progress towards modeling ship/aircraft dynamic interface[C]. IEEE Computer Society, HPCMP Users Group Conference, 2006：266-274.

[3]POLSKY S A. Computational analysis for air/ship integration: 1st year report[C]. DoD High Performance Computing Modernization Program Users Group Conference, USA, 2010:321-330.

[4]POLSKY S A,BRUNER C W S. A computational study of unsteady ship airwake[C]. RTO AVT Symposium on “Advanced Flow Management: Part A - Vortex Flows and High Angle of Attack for Military Vehicles”, Loen, Norway, 2001：210-222.

[5]SHARMA A,LONG L N. Airwake simulation on an LPD 17 ship[C]. 15th AIAA Computational Fluid Dynamics Conference, Anaheim, California, 2001:144-152.

[6]LEE D. Simulation and control of a helicopter operating in a ship airwake[D]. Pennsylvania:The Pennsylvania State University, 2005.

[7]SEZER-UZOL N,SHARMA A, LONG L N.Computational fluid dynamics simulations of ship airwake[C]. Proc. IMechE Vol.219 Part G:J. Aerospace Engineering, 2005:321-334.

[8]MORA R B. An experimental helicopter wind envelope for ship operations[J]. World Academy of Science, Engineering and Technology, 2012(8):155-161.

中圖法分類號：U674.771

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.011

收稿日期：2014-11-26

A Method to Generate Preliminary WOD Envelope
for Aircraft Landing and Launching

HE Shaohua LIU Dongyue TAN Dali LIU Ping

(NAA,Beijing100161，China)

Abstract：A method to build preliminary wind over deck envelope of aircraft landing and launching aboard battle ship was proposed. Similarity rules and some considerations during results comparison among CFD simulation, wind tunnel test and full-scale test at sea were given. Take a battle ship for an example, ship bow anemometer disposition, histogram of relative wind velocity measured by the bow ship anemometer, histogram of the wind velocity of one concerned point in the airfield, comparison of non-dimensional wind velocities as a function of relative wind angle, regression analysis of wind velocity data, and comparison of turbulence intensity were performed. The preliminary wind over deck envelope proposed could be a guidance to flight test at sea, and quicken the generation of formal WOD envelope.

Key words：ship airwakes；WOD envelope；CFD simulations；wind tunnel test；full-scale ship airwake test at sea