艦載直升機起降區(qū)空氣流場模擬方法研究

宗 昆，宗 偉，李海旭，趙鵬程

(1. 中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院， 北京 100094；2. 哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

艦載直升機的起降面臨許多陸基環(huán)境下不曾遇到的挑戰(zhàn)[1]。氣流繞過艦船上層建筑物在機庫后方的飛行甲板起降區(qū)形成非定常紊流，其特征頻率往往低于2 Hz，而駕駛員操縱響應(yīng)頻率的范圍是0.2～1.6 Hz[2]，因此，在直升機著艦過程中，起降區(qū)的紊流將直接影響駕駛員的操縱。

起降區(qū)空氣流場的研究，一般采用實船測量、PIV風(fēng)洞試驗和CFD仿真計算3種方法[3]。當(dāng)前，CFD仿真方法發(fā)展迅速，且因其成本低廉等優(yōu)勢被越來越多地應(yīng)用于艦載直升機起降區(qū)空氣流場研究。例如，利物浦大學(xué)[4–5]已使用Fluent軟件對孤立SFS2艦船（Simple Frigate Shape 2[6]）的尾流場進行數(shù)值模擬，首先使用定常模型進行分析，發(fā)現(xiàn)計算得到的流場和氣動載荷偏低，接著換成非定常的模型，得到了比較符合實際的結(jié)果。Alpman[7]則對艦船/直升機的動態(tài)干擾進行計算，并添加了飛行動力學(xué)模型，雖然采用的是簡化的LHA艦船（Landing Helicopter Assault[8]）模型以及葉素理論，但其計算結(jié)果依然表明了艦船/直升機耦合流場分析的重要性。國內(nèi)也開展了一些針對起降區(qū)空氣流場的CFD研究。如，陸超等[9]使用湍流模型對不同風(fēng)向角下LHA氣流場數(shù)值計算結(jié)果進行分析，表明隨著風(fēng)向角的變化，越靠近上層建筑區(qū)域氣流變化越劇烈。郜冶等[1]利用Fluent的UDF接口加載LK和MMK湍流模型，研究了不同網(wǎng)格、不同求解方式以及不同湍流模型對護衛(wèi)艦流場分析的影響。

雖然有關(guān)艦船尾流場的CFD模擬已經(jīng)開展了不少工作，但是真正耦合艦船/直升機流場的研究還較少。其困難在于除了要考慮艦船尾流對直升機的影響外，還需要計入旋翼下洗流對艦船尾流的作用，這是一個雙向耦合的過程[10]。之前的研究大多采用“簡單疊加法”，即把孤立艦船的流場信息提取出來，再添加到旋翼流場的計算當(dāng)中，這種方法只是簡單地將艦船尾流和旋翼下洗流疊加，沒有考慮兩者流場的相互耦合關(guān)系[11]。

鑒于此，本文分別使用作用盤和運動嵌套網(wǎng)格技術(shù)建立了2種可用于分析艦船/直升機耦合流場的方法，先采用作用盤模型代替旋翼以模擬艦船/直升機耦合流場。然后，運用“運動嵌套網(wǎng)格方法”來獲得更為細節(jié)的耦合流場特性，并與“作用盤方法”計算的耦合流場結(jié)果進行對比。通過對孤立艦船、孤立旋翼以及艦船/旋翼耦合流場的計算分析，得到了一些有實際意義的結(jié)論。

1 計算方法與模型

1.1 流場控制方程和計算網(wǎng)格

本文分別使用“作用盤方法”和“運動嵌套網(wǎng)格方法”來模擬旋翼，均采用非定常N-S方程作為主控方程，具體表達式分別為：

作用盤方法：

式（3）～式（7）：

以“作用盤方法”模擬旋翼槳盤時，其實質(zhì)是在槳盤位置處添加了一個準(zhǔn)定常的分布力：

1.2 幾何建模與網(wǎng)格劃分

本文使用的艦船模型是LPD-17艦船。為了方便計算，對艦船上層建筑物進行簡化處理，并以1∶2比例對原模型進行縮放，縮小后模型艦船甲板的長L為32 m，寬W為16 m，機庫門的高度H為8 m。選取“海豚”直升機的旋翼作為算例，其基本參數(shù)如表1。

采用切割體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，該網(wǎng)格具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、通量計算便捷、自適應(yīng)處理能力較強等諸多優(yōu)點，既保證了計算所需的精度，又減少了計算資源的耗費。由于本文涉及作用盤和運動嵌套網(wǎng)格2種方法，因此需要生成2種網(wǎng)格。

“作用盤方法”網(wǎng)格：以圓柱體代替槳盤平面，同時，為提高計算精度，對旋翼、艦船表面都進行了附面層加密，整個計算域網(wǎng)格數(shù)量為520萬。

“運動嵌套網(wǎng)格方法”網(wǎng)格：與“作用盤方法”保持一致的網(wǎng)格尺寸，但是還需要對每片槳葉單獨劃分網(wǎng)格，其最終網(wǎng)格數(shù)量為700萬。2種方法對應(yīng)網(wǎng)格示意圖分別如圖1所示。

表 1 “海豚”直升機旋翼參數(shù)Tab. 1 The rotor parameters of Dolphin helicopter

圖 1 兩種方法網(wǎng)格示意圖對比Fig. 1 The comparison of grid diagram in two methods

2 計算方法的驗證

2.1 孤立艦船流場驗證

選取SFS2艦船模型作為驗證算例，其外形簡單且形成的渦與典型的艦船產(chǎn)生的渦比較相似，所以國內(nèi)外關(guān)于該模型的風(fēng)洞和水洞的實驗數(shù)據(jù)較多，從而便于CFD方法的驗證。該模型主要尺寸為138.7 m13.7 m16.8 m（長寬高）。

以0°風(fēng)向角、12 m/s航行速度的工況為例，在甲板上方選取一系列監(jiān)測點（距離甲板10.668 m，距離機庫20.4 m），監(jiān)測甲板上方氣流速度分量u（平行前方來流的方向）的大小，其結(jié)果如圖2所示。

圖 2 甲板上方氣流速度分量對比圖Fig. 2 The comparison diagram of air velocity components above deck

從圖中可以看到，本文的計算數(shù)值與實驗數(shù)據(jù)結(jié)果總體吻合較好，個別點處稍有差別。

2.2 “作用盤方法”驗證

為驗證本文“作用盤方法”的有效性，以Robin旋翼懸停狀態(tài)作為算例，其槳葉的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

為更貼近實驗條件，設(shè)置計算域底面為壁面邊界條件，保持旋翼槳盤離地面的高度為3.6R（其中R為槳葉半徑）。測量槳盤下方距離槳盤平面0.326R處的動壓大小。并與實驗值[12]進行對比，結(jié)果如圖3所示。

由圖可見，使用“作用盤方法”捕捉到的旋翼槳盤下方壓強的變化沿旋翼軸呈對稱分布，大致符合懸停狀態(tài)下旋翼流場的分布特征，并且計算得到的壓強值與實驗值吻合得很好，雖然稍有誤差，但總體趨勢保持一致。可以認為“作用盤方法”有效。

2.3 “運動嵌套網(wǎng)格方法”驗證

選取Caradonna-Tung旋翼（簡稱C-Tung旋翼）的懸停狀態(tài)作為算例，由于該旋翼的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)比較充分，而且槳葉外形簡單，因此被廣泛應(yīng)用于直升機旋翼CFD方法的驗證之中。

本文分別計算了在0.612和0.727槳尖馬赫數(shù)下旋翼槳葉剖面壓強系數(shù)的分布，現(xiàn)僅摘取幾個典型剖面的計算結(jié)果與實驗值進行對比，圖4為總距8°時計算值與實驗值的對比。

表 2 Robin旋翼參數(shù)Tab. 2 Robin rotor parameters

圖 3 槳盤下方0.326R處動壓分布Fig. 3 The dynamic pressure distribution of 0.326R under the paddles

圖 4 旋翼槳葉剖面壓強系數(shù)的分布對比Fig. 4 The distribution of pressure coefficients in rotor blade profile

從圖中的對比數(shù)據(jù)可以看出，在0.612和0.712槳尖馬赫數(shù)狀態(tài)下，無論是槳尖部分還是主要升力段部分，計算結(jié)果與實驗值都比較吻合，表明本文的“運動嵌套網(wǎng)格方法”能夠有效地模擬槳葉表面的壓力分布，且計算結(jié)果的精度符合實際工程應(yīng)用的要求。

3 孤立艦船流場研究

3.1 上層建筑物對起降區(qū)空氣流場的影響

一般艦船上要安裝桅桿、雷達等設(shè)備，氣流繞過這些建筑物會在其后方產(chǎn)生氣流分離，形成復(fù)雜的流動現(xiàn)象。紊亂的氣流跟隨來流往艦船后方運動，直接影響到艦載直升機的起降區(qū)，會增加駕駛員著艦操縱的負擔(dān)。

為了分析艦船上層建筑物對直升機起降區(qū)空氣流場的影響，對航行的艦船進行以下對比研究：規(guī)定艦船航行速度為15 m/s，不考慮側(cè)向風(fēng)的影響，分別對有無上層建筑物時2艘艦船的流場進行計算。

圖5是艦船流場縱向剖面的流線圖（重點關(guān)注起降區(qū)區(qū)域），由圖可見，2種情況下甲板上方的渦流區(qū)漩渦中心位置均發(fā)生了變化。相比于無上層建筑物的艦船流場，有上層建筑物的流場其漩渦中心更加貼近甲板表面，即受到上層建筑物的影響，原本甲板上方的渦流區(qū)被向下壓縮了，這說明甲板上方的流場可能出現(xiàn)了額外的向下的速度分量。

圖 5 艦船流場縱向剖面流線圖Fig. 5 Longitudinal profile flow chart of ship flow field

眾所周知，垂向方向的速度分量對直升機槳盤平面拉力的影響最為明顯。因此，需要對艦船流場中垂向方向的速度分量進行具體研究。

圖6給出了縱向剖面內(nèi)2個不同高度處流場垂向方向的速度變化曲線圖。與無上層建筑物的艦船流場相比，上層建筑物的存在引起了甲板上方垂向方向的速度增量，并且該影響區(qū)域一直延伸到甲板末端。因此可以得出結(jié)論，艦船上層建筑物會對直升機安全著艦產(chǎn)生不利的影響。

后文中的算例均為包含上層建筑物的LPD-17艦船模型。

圖 6 不同高度處流場垂向方向的速度變化Fig. 6 The velocity change of vertical direction at different height

3.2 風(fēng)向角對起降區(qū)空氣流場的影響

艦船在航行過程中往往會受到側(cè)向風(fēng)的影響。側(cè)向角越大，甲板上方氣流受到的影響越明顯，直至整個甲板區(qū)域全部處于側(cè)向風(fēng)之中，因而有必要對側(cè)向風(fēng)影響下的起降區(qū)空氣流場進行分析。

這里分別選取了0°風(fēng)向角和右舷15°風(fēng)向角2種不同工況下艦船的尾流場作為研究對象，設(shè)置來流的速度為15 m/s。

為了清楚地觀察起降區(qū)空氣流場的漩渦結(jié)構(gòu)，在該區(qū)域選取多個等距離的截面，并計算出其渦量云圖，如圖7所示。通過圖7（a）和圖7（b）的對比可見，在右舷側(cè)向風(fēng)的作用下，整個流場出現(xiàn)明顯的向左的分量，機庫右舷邊緣分離的漩渦開始往甲板中間脫落，同時甲板區(qū)域的右后方形成一塊沒有大漩渦結(jié)構(gòu)的近似三角形區(qū)域，此處氣流漸漸不受艦船上層建筑物的影響，有利于直升機著艦。為了驗證該結(jié)果，下面做進一步分析。

在距離甲板9 m高度處，設(shè)置3條水平監(jiān)測線，離機庫的距離分別為0.5L，0.75L和1L，監(jiān)測該位置處的垂向速度分量，計算結(jié)果如圖8所示。

由圖可以看出，在右舷15°側(cè)向風(fēng)工況下，甲板上方右半部分流場不僅沒有下洗速度分量，反而有向上的速度分量，并且越往甲板后方，上洗氣流影響范圍越廣，也就是說在右舷風(fēng)工況下，甲板的右后方是比較合理的安全著艦點。

圖 7 不同側(cè)向風(fēng)下截面渦量云圖Fig. 7 The vortex flow chart of different lateral wind

圖 8 右舷15°側(cè)向風(fēng)下不同監(jiān)測點垂向速度分量Fig. 8 The vertical velocity component wind in different monitoring points under starboard 15 °

4 直升機/艦船耦合流場研究

4.1 “作用盤方法”的耦合流場計算分析

為了對比耦合后流場與孤立流場的差別，這里分別對比計算了孤立艦船、孤立旋翼和艦船/旋翼耦合3種算例。其中，旋翼中心位于艦船縱向剖面內(nèi)，距離甲板9 m，距離機庫12 m。并針對該3種算例分別計算0°風(fēng)向角工況下的流場信息。

圖9是Q判據(jù)等于0.5時3種算例對應(yīng)的等值渦量和速度流線圖。

在孤立艦船算例中（見圖9（a）），氣流經(jīng)過機庫頂端和側(cè)面分別向下和向內(nèi)偏斜，在緊貼機庫的后方形成了明顯的渦流區(qū)，同時甲板兩側(cè)的上方也有一對旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦，不過該漩渦的強度相對較小。而在孤立旋翼時（見圖9（b）），從槳盤平面脫出來一對長長的漩渦，一直向后方延伸。

在耦合旋翼和艦船的流場算例中（見圖9（c）），整個起降區(qū)空氣流場顯示出明顯的相互干擾特性，而不是單獨旋翼流場和單獨艦船流場的簡單相加。首先，在加入旋翼流場的作用后，艦船流場中緊貼機庫的后方的渦流區(qū)明顯增強，這從流線圖的疏密程度可以看出，而且原本甲板上方兩側(cè)較弱的反向漩渦在旋翼尾流的作用下也得到了增強，并拓寬了漩渦影響范圍。其次再看旋翼尾渦的變化，原本旋翼的后方脫出一對很長的漩渦，但是在艦船尾流的影響下，旋翼尾渦迅速向下方偏斜，并快速到達艦船甲板位置。

為進一步驗證耦合流場與簡單疊加流場的區(qū)別，在槳盤下方3 m選取2條水平線作為監(jiān)測點，距離機庫為0.125L和0.625L，分別計算出疊加流場與耦合流場垂向方向速度分量，如圖10所示。在甲板上方區(qū)域（–0.5W～0.5W）兩者的差別比較明顯，耦合方法得到的結(jié)果顯示出良好的對稱性，與實際情況比較吻合。由此也表明，通過簡單疊加法得到的起降區(qū)空氣流場并不可靠。

圖 9 三種算例流場等值渦量和速度流線圖Fig. 9 The equivalent vorticity and velocity flow chart of three examples

圖 10 疊加流場和耦合流場垂向方向速度對比圖Fig. 10 The comparison of vertical velocity between the superimposed flow field and the coupled flow field

4.2 “運動嵌套網(wǎng)格方法”的耦合流場計算分析

由4.1節(jié)的結(jié)論可知“作用盤方法”可有效地模擬艦船/旋翼耦合干擾問題，但其也有一定的局限性，因為在計算過程中沒有出現(xiàn)具體的槳葉外形，無法捕捉槳葉轉(zhuǎn)動的細節(jié)，為了彌補這一缺陷，接下來將使用“運動嵌套網(wǎng)格方法”來實現(xiàn)旋翼的轉(zhuǎn)動。

圖11給出了Q判據(jù)等于1時“作用盤方法”和“運動嵌套網(wǎng)格方法”計算得到的流場等值渦量圖。

圖 11 兩種方法流場等值渦量對比圖Fig. 11 The comparison diagram of equivalent vorticity in two methods

由于“運動嵌套網(wǎng)格方法”模擬的是實際槳葉旋轉(zhuǎn)的過程，為了使艦船尾流和旋翼下洗流充分耦合，本文模擬實際10 s的時間跨度，其完整計算時間是“作用盤方法”計算時間的10多倍。但使用“運動嵌套網(wǎng)格方法”捕捉到的槳尖渦要比“作用盤方法”更為精確，從圖11（b）中可以看到旋翼槳尖渦一層層向后方脫落的痕跡，而“作用盤方法”并不能捕捉到這些細節(jié)。

為了進一步分析和對比這2種方法得到的起降區(qū)空氣流場，圖12和圖13分別給出了2種方法計算的起降區(qū)豎直和水平截面內(nèi)垂向速度分布云圖。

雖然“作用盤方法”對旋翼流場細節(jié)的捕捉不夠充分，不過從整個起降區(qū)空氣流場中漩渦的大小以及速度的分布來看，“作用盤方法”還是能夠得到與“運動嵌套網(wǎng)格方法”相似的結(jié)論。

圖 12 兩種方法計算的起降區(qū)橫截面垂向速度分布云圖Fig. 12 The vertical velocity distribution of Cross section used in two methods

圖 13 兩種方法計算的起降區(qū)水平面垂向速度分布云圖Fig. 13 The vertical velocity distribution of horizontal plane used in two methods

5 結(jié) 語

本文充分考慮了艦船/直升機流場之間的耦合問題，分別運用“作用盤方法”和“運動嵌套網(wǎng)格方法”對孤立艦船、孤立旋翼以及艦機耦合等流場問題進行了數(shù)值模擬，并進行對比分析，得出以下結(jié)論：

1）艦船上層建筑物的存在會引起起降區(qū)下洗速度增大，使得直升機旋翼拉力減小，這種拉力變化會增加駕駛員操縱負擔(dān)。

2）在右舷風(fēng)工況下，甲板右后方會形成一塊沒有較強漩渦結(jié)構(gòu)的近似三角形區(qū)域，是比較合理的安全著艦點。

3）“作用盤方法”一定程度上可以有效地用來研究艦船/直升機雙向耦合流場，相比于“簡單疊加法”得到的起降區(qū)空氣流場可靠性更高。

4）“運動嵌套網(wǎng)格方法”可以捕捉到起降區(qū)空氣流場的細節(jié)，得到的流場結(jié)果更加準(zhǔn)確，但對于模擬時間跨度較大起降區(qū)空氣流場需要耗費巨大的計算量。

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