艦船艦面空氣流場(chǎng)特性研究進(jìn)展

趙 瑞，王 超，李海旭，宗 昆，嚴(yán) 昊

（1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京100081；2.中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京100094）

0 引 言

近年來(lái)隨著國(guó)家海洋意識(shí)的增強(qiáng)，海軍艦船裝備發(fā)展迅速。其中艦載機(jī)以航空母艦或其它艦艇為基地，執(zhí)行攻擊、預(yù)警、偵查、巡邏、布雷、補(bǔ)給以及救護(hù)等任務(wù)，是海洋戰(zhàn)場(chǎng)上奪取和保持制空權(quán)、制海權(quán)的重要力量。由于艦船特有的起降環(huán)境，艦載機(jī)的操縱性會(huì)受到很大的影響。早在上世紀(jì)70年代，美國(guó)海軍對(duì)艦面流場(chǎng)環(huán)境展開(kāi)研究，并在艦艇設(shè)計(jì)、直升機(jī)起降位置及安全風(fēng)限圖的制定等方面開(kāi)始考慮艦面空氣流場(chǎng)的影響[1]；NASA垂直/短距起降飛行品質(zhì)小組對(duì)FF-1052級(jí)護(hù)衛(wèi)艦展開(kāi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，并對(duì)DD963艦面流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)船測(cè)量[2]。80年代至今，美國(guó)、加拿大、英國(guó)、澳大利亞、荷蘭、巴西等國(guó)家針對(duì)艦面空氣流場(chǎng)環(huán)境系統(tǒng)性地開(kāi)展了一系列結(jié)合實(shí)船測(cè)量、風(fēng)洞試驗(yàn)以及數(shù)值仿真的聯(lián)合測(cè)試項(xiàng)目[3-11]，取得頗為豐碩的成果。90年代之后，國(guó)內(nèi)開(kāi)始重視艦船艦面空氣流場(chǎng)環(huán)境。趙維義等人[12-14]使用七孔風(fēng)速探針以及粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)某型艦?zāi)＿M(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，以獲得艦面空氣流場(chǎng)特性。孫傳偉等人[15]對(duì)某型軍艦艦面流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正計(jì)算結(jié)果，并將計(jì)算得到的流場(chǎng)疊加到某無(wú)人直升機(jī)旋翼流場(chǎng)中。洪偉宏等人[16]對(duì)多種形式的上層建筑以及上層建筑縱向布置位置影響展開(kāi)數(shù)值模擬，初步總結(jié)了上層建筑的布置位置對(duì)艉流場(chǎng)的影響規(guī)律。趙瑞等人[17]采用脫體渦模擬方法，研究了不同機(jī)庫(kù)門(mén)開(kāi)合狀態(tài)對(duì)艉流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明機(jī)庫(kù)門(mén)半開(kāi)狀態(tài)下艉部渦流脈動(dòng)最小，同時(shí)發(fā)現(xiàn)艦面上層建筑脫落渦會(huì)與艉部渦流耦合，使得渦流區(qū)范圍擴(kuò)大。隨后王超等人[18]研究了主動(dòng)控制技術(shù)（機(jī)庫(kù)側(cè)方吹吸氣、甲板吹吸氣以及混合吹吸氣技術(shù)）對(duì)艦船艉部大分離流場(chǎng)的抑制作用，探究了不同吹吸氣組合條件對(duì)艉部回流區(qū)的范圍和下洗速度的影響規(guī)律。胡濤等人[19]開(kāi)展了標(biāo)準(zhǔn)艦船模型空氣艉流場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)及仿真計(jì)算工作，對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)及仿真結(jié)果，給出了飛行甲板上流場(chǎng)的基本分布規(guī)律。蘇大成等人[20]數(shù)值模擬了直升機(jī)/艦船耦合流場(chǎng)特征，結(jié)果顯示機(jī)身和尾槳對(duì)艦艉流場(chǎng)的主要結(jié)構(gòu)影響較小。但總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)對(duì)艦船艦面空氣流場(chǎng)特性的研究較少，并未形成系統(tǒng)性的研究手段。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外艦面空氣流場(chǎng)特性研究進(jìn)行回顧，總結(jié)空氣流場(chǎng)測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)以及注意事項(xiàng)，并對(duì)影響艦船艉流場(chǎng)的因素進(jìn)行歸納，指出需要進(jìn)一步研究的方向。

1 艦面空氣流場(chǎng)特性

根據(jù)艦船種類(lèi)，艦面空氣流場(chǎng)可劃分為兩類(lèi)：一類(lèi)是以驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、巡洋艦等為代表的非航母艦面空氣流場(chǎng)；另一類(lèi)是航空母艦艦面空氣流場(chǎng)。由于兩類(lèi)艦船上層建筑布置不同，用于艦載機(jī)起降空間也相差較大，因此兩類(lèi)空氣流場(chǎng)對(duì)于艦載機(jī)起降性能的影響也有較大區(qū)別。

1.1 非航母艦面空氣流場(chǎng)

對(duì)于裝備艦載直升機(jī)的驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦等非航母艦艇（圖1），由于上層建筑外形多為鈍體外形，相對(duì)風(fēng)掠過(guò)這種上層建筑時(shí)產(chǎn)生陡壁體效應(yīng)，在其后方形成分離區(qū)、下洗區(qū)、紊亂流區(qū)等（圖2）。對(duì)常規(guī)艦船而言，這種流場(chǎng)并無(wú)害處，但裝備艦載直升機(jī)后，由于鈍體結(jié)構(gòu)機(jī)庫(kù)一般位于飛行甲板前方，直升機(jī)飛臨甲板時(shí)，會(huì)進(jìn)入機(jī)庫(kù)后方的紊亂流場(chǎng)內(nèi)，這種流場(chǎng)對(duì)直升機(jī)的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[15，21]：（a）紊亂流動(dòng)具有很大的隨機(jī)性，給機(jī)體附加了一個(gè)隨時(shí)間變化的氣動(dòng)載荷，影響到機(jī)體的結(jié)構(gòu)壽命；（b）強(qiáng)烈的紊亂流動(dòng)增加了保持直升機(jī)航跡和姿態(tài)的困難程度；（c）紊亂流動(dòng)增加了乘員的不舒適感；（d）紊亂流動(dòng)區(qū)域?yàn)榈蛪簠^(qū)（圖2），直升機(jī)驟然進(jìn)人該區(qū)域，駕駛員有直升機(jī)被吸向機(jī)庫(kù)的感覺(jué)，易造成事故；（e）直升機(jī)著艦前在艦面相對(duì)懸停時(shí)，實(shí)際上是處于前飛或側(cè)飛狀態(tài)，此時(shí)旋翼所在的環(huán)境流場(chǎng)中，機(jī)庫(kù)陡壁效應(yīng)引起的氣流下沖分量所占的比例較大，甚至超過(guò)旋翼的垂向誘導(dǎo)速度。下沖氣流的不均勻分布特性會(huì)導(dǎo)致直升機(jī)前沖進(jìn)入分離區(qū)，嚴(yán)重時(shí)造成直升機(jī)沖撞機(jī)庫(kù)的重大事故。

如上所述，由于艉流場(chǎng)的干擾，再加上船體自身的起伏搖擺，艦載直升機(jī)準(zhǔn)確降落在狹小的甲板上十分困難。據(jù)相關(guān)資料介紹[21]：在非航空載艦上使用直升機(jī)，其飛行員生命危險(xiǎn)概率約為宇航員的5倍、噴氣轟炸機(jī)飛行員的10倍、民航飛行員的54倍；另外，據(jù)美國(guó)安全中心統(tǒng)計(jì)：美國(guó)在實(shí)現(xiàn)直升機(jī)上艦過(guò)程中曾摔掉近百架飛機(jī)。

1.2 航空母艦艦面空氣流場(chǎng)

相對(duì)于驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦等有限的甲板面積，航空母艦擁有大面積的飛行甲板，艦載機(jī)可在劃定的起降區(qū)域自由起降。根據(jù)搭載艦載機(jī)種類(lèi)，可分為固定翼飛機(jī)航母和直升機(jī)航母（LHA，亦稱(chēng)為兩棲攻擊艦，如圖3所示）。由于直升機(jī)旋翼槳葉細(xì)長(zhǎng)柔軟，旋翼掃掠面積大，對(duì)外部空氣流場(chǎng)變化比固定翼飛機(jī)更為敏感。因此，對(duì)航空母艦艦面空氣流場(chǎng)的研究主要集中在LHA艦橋艉渦特性方面。如圖4所示，LHA在行駛過(guò)程中，艦艏及艦舷分別卷起分離渦，并與艦橋艉渦相互作用，使艦面空氣流場(chǎng)更為復(fù)雜。

1.3 艦面流場(chǎng)危害

1999年1月和8月，美國(guó)V-22魚(yú)鷹式旋翼機(jī)在甲板進(jìn)行機(jī)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)滾轉(zhuǎn)失控的現(xiàn)象[22]。事故主要原因在于其所處的復(fù)雜艦面流場(chǎng)環(huán)境。如圖5所示，在V-22停放點(diǎn)的上風(fēng)處，CH-46直升機(jī)在降落過(guò)程中螺旋槳的誘導(dǎo)流場(chǎng)與艦橋流場(chǎng)相互耦合，使得兩側(cè)旋翼分別處于上洗與下洗流場(chǎng)當(dāng)中，從而導(dǎo)致滾轉(zhuǎn)操控失效。英國(guó)一艘綜合補(bǔ)給艦的艉部機(jī)庫(kù)和甲板設(shè)計(jì)成能夠同時(shí)容納兩架直升機(jī)的起降（圖6）。然而實(shí)際飛行試驗(yàn)表明，由于艉部空氣流場(chǎng)作用，位于緊鄰機(jī)庫(kù)的甲板區(qū)域處于回流區(qū)，極大影響艦載機(jī)的操縱品質(zhì)，使得該處甲板無(wú)法用于艦載機(jī)起降[16]。

綜上所述，惡劣的艉部空氣流場(chǎng)狀況將影響艦載機(jī)操縱性，甚至發(fā)生機(jī)毀人亡的重大事故。因此，開(kāi)展艦面空氣流場(chǎng)研究，確定不同工況條件下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，是一項(xiàng)極具實(shí)際意義的工作。

2 國(guó)內(nèi)外艦面空氣流場(chǎng)測(cè)量項(xiàng)目

2.1 國(guó)內(nèi)測(cè)量項(xiàng)目

國(guó)內(nèi)項(xiàng)目一：上個(gè)世紀(jì)90年代，海軍航空工程學(xué)院趙維義等人[12，21]在研究中借鑒了美國(guó)海軍NASA垂直/短距起降飛行品質(zhì)研究小組所作FF-1052級(jí)護(hù)衛(wèi)艦風(fēng)洞試驗(yàn)方案[2]，完成了某型艦?zāi)５娘L(fēng)洞試驗(yàn)、艦面流譜試驗(yàn)、地面模擬試驗(yàn)及實(shí)船測(cè)量等，對(duì)改型艦的空氣艉流場(chǎng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)、完整的研究。2007年，趙維義等人[13]使用PIV技術(shù)在風(fēng)洞中對(duì)艦?zāi)ｔ毫鲌?chǎng)進(jìn)行重新測(cè)量，準(zhǔn)確獲取了艉流場(chǎng)渦流特性。

國(guó)內(nèi)項(xiàng)目二：南京航空航天大學(xué)顧蘊(yùn)松等人[24]使用自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的七孔探針測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某驅(qū)逐艦艉流場(chǎng)進(jìn)行了海上實(shí)船測(cè)量。實(shí)測(cè)結(jié)果為驗(yàn)證流場(chǎng)的理論計(jì)算和制定直升機(jī)安全操作規(guī)范提供了試驗(yàn)依據(jù)。

2.2 國(guó)外測(cè)量項(xiàng)目

國(guó)外項(xiàng)目一：1990-1998年，在國(guó)際技術(shù)合作項(xiàng)目的框架下[6]，由英國(guó)國(guó)防評(píng)估研究機(jī)構(gòu)、加拿大國(guó)家研究委員會(huì)宇航研究所、美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心以及澳大利亞國(guó)防科學(xué)與技術(shù)組織共同開(kāi)展了艦船艉部空氣流場(chǎng)特性研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目增進(jìn)了對(duì)艉流場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，并初步獲取了艉流場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)。圖7為加拿大國(guó)家研究委員會(huì)下屬的空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)簡(jiǎn)化的船體模型SFS進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，獲取船體表面平均的壓力分布以及油流分布圖[25]。SFS試驗(yàn)?zāi)Ｐ统蔀樵擁?xiàng)目以及其他研究機(jī)構(gòu)驗(yàn)證CFD程序的標(biāo)準(zhǔn)算例。

國(guó)外項(xiàng)目二：1982-2006年，由荷蘭國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室、英國(guó)國(guó)防評(píng)估研究機(jī)構(gòu)以及美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部共同開(kāi)展了直升機(jī)/艦船匹配性研究項(xiàng)目[27]。該項(xiàng)目主要以艉部流場(chǎng)的湍流特性、船體運(yùn)動(dòng)、有限的著艦區(qū)域、飛行員視野的局限性以及上述因素交互影響等五種對(duì)直升機(jī)著艦的影響因素展開(kāi)研究。該項(xiàng)目標(biāo)定直升機(jī)在各種工況下的操縱極限，并制定直升機(jī)起降安全風(fēng)限圖。

國(guó)外項(xiàng)目三：作為國(guó)外項(xiàng)目二的延伸，艦載直升機(jī)上艦評(píng)估項(xiàng)目[29]由美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心發(fā)起，海軍總負(fù)責(zé)。該項(xiàng)目發(fā)展了一種評(píng)估不同類(lèi)型的直升機(jī)與軍艦匹配性的標(biāo)準(zhǔn)方法，包含實(shí)船測(cè)量、風(fēng)洞測(cè)試、經(jīng)驗(yàn)分析以及數(shù)值仿真四種技術(shù)，在項(xiàng)目進(jìn)行中，一方面檢驗(yàn)各種技術(shù)的成熟度，另一方面探索四種技術(shù)的聯(lián)合測(cè)試方式。該項(xiàng)目計(jì)劃獲得12對(duì)直升機(jī)/艦船的起降風(fēng)限圖以及12艘艦船的載機(jī)許可。圖8為其中一艘作為綜合測(cè)試的船型[29]。

國(guó)外項(xiàng)目四：2000年至今，美國(guó)海軍學(xué)院艉部流場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目由美國(guó)海軍研究所贊助，由美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部協(xié)作完成[3]。該項(xiàng)目以改裝后的巡邏艇作為試驗(yàn)船型（圖9），通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、CFD仿真以及實(shí)船測(cè)量三種技術(shù)對(duì)不同來(lái)流情況下的艉部流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，一方面互相驗(yàn)證三種方法的可行性與準(zhǔn)確性，尤其是CFD技術(shù)的數(shù)值仿真能力，另一方面基于大量測(cè)試數(shù)據(jù)探討直升機(jī)安全風(fēng)限圖的設(shè)計(jì)方案。

國(guó)外項(xiàng)目五：1992年至今，巴西海軍艦船艉部流場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目[7]針對(duì)Inhauma護(hù)衛(wèi)艦（圖10）開(kāi)展了實(shí)船測(cè)量、風(fēng)洞試驗(yàn)以及CFD計(jì)算的研究工作，該項(xiàng)目的最終目的是驗(yàn)證CFD技術(shù)是否能夠準(zhǔn)確模擬艉流場(chǎng)環(huán)境，進(jìn)而為直升機(jī)著艦提供可靠的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

綜上所述，傳統(tǒng)的航海發(fā)達(dá)國(guó)家如英國(guó)、荷蘭和美國(guó)已循序漸進(jìn)地開(kāi)展了艦船艦面空氣流場(chǎng)的研究工作，并制定出標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)船測(cè)試流程，同時(shí)驗(yàn)證了多種風(fēng)洞試驗(yàn)方案與CFD技術(shù)的仿真能力，得到了豐富的實(shí)船/風(fēng)洞/CFD數(shù)據(jù)，能夠快速地映射到相同船型的流場(chǎng)環(huán)境，為直升機(jī)起降風(fēng)限圖的制定提供了有力的支撐。

3 艦面空氣流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

結(jié)合上述國(guó)內(nèi)外研究項(xiàng)目以及其它研究機(jī)構(gòu)成果，該部分主要從風(fēng)洞試驗(yàn)（包含流場(chǎng)顯示和流場(chǎng)測(cè)量?jī)刹糠郑?、CFD數(shù)值仿真以及實(shí)船測(cè)試（同樣包含流場(chǎng)顯示和流場(chǎng)測(cè)量?jī)刹糠郑┤矫娣治雠灻婵諝饬鲌?chǎng)測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)

3.1.1 流場(chǎng)顯示技術(shù)

煙流顯示技術(shù)將艦船模型置于特殊的發(fā)煙風(fēng)洞，使用攝像機(jī)錄制煙線(xiàn)的軌跡，國(guó)內(nèi)項(xiàng)目一在閉口直流式煙風(fēng)洞對(duì)某型艦?zāi)＿M(jìn)行了煙流顯示試驗(yàn)[21]。氦氣泡顯示技術(shù)將氦氣泡作為示蹤粒子顯示流動(dòng)，也就成為最常用的流動(dòng)顯示手段之一[31]。在國(guó)外項(xiàng)目二中，美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部采用氦氣泡顯示技術(shù)在風(fēng)洞中獲得了DD-963型驅(qū)逐艦艉部流場(chǎng)情況[32]，如圖11所示。油流顯示技術(shù)將帶有細(xì)微示蹤粒子的油劑均勻涂在艦船模型表面，油膜在邊界層內(nèi)氣流的作用下做緩慢的粘性運(yùn)動(dòng)形成油流譜。該技術(shù)是一種能夠顯示分離流動(dòng)及漩渦流動(dòng)的非常簡(jiǎn)便有效的手段。圖12為國(guó)外項(xiàng)目二中所做的油流顯示結(jié)果。

3.1.2 流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

風(fēng)洞測(cè)量技術(shù)主要有多孔探針系統(tǒng)、熱線(xiàn)風(fēng)速儀與PIV測(cè)試系統(tǒng)，詳細(xì)對(duì)比如表1所示。

表1 風(fēng)洞測(cè)量技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Comparisons of wind tunnel experimental techniques

2010年，國(guó)外項(xiàng)目四在USNA循環(huán)風(fēng)洞中對(duì)縮比為4%的YP模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。圖13為風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，使?8孔全方位探針收集甲板和周邊流場(chǎng)的速度[35]。在國(guó)外項(xiàng)目一的支持下，加拿大國(guó)家研究委員會(huì)宇航研究所使用熱線(xiàn)風(fēng)速儀對(duì)SFS2進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)量，獲取了流動(dòng)平均場(chǎng)與湍流場(chǎng)信息，如圖14所示。

3.1.3 小結(jié)

（1）出于雷諾數(shù)效應(yīng)以及尺寸效應(yīng)的考慮，希望風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缭酱笤胶谩５?，較大尺寸的模型會(huì)造成風(fēng)洞的阻塞效應(yīng)（尤其風(fēng)向角較大時(shí)），因此需要綜合考慮建立合適的風(fēng)洞模型，并且研究中需給出雷諾數(shù)效應(yīng)、風(fēng)洞阻塞效應(yīng)的影響以及修正方式。

（2）模型加工精度對(duì)于結(jié)果影響較大。由于艦面上層建筑十分復(fù)雜，一般風(fēng)洞試驗(yàn)與CFD都要對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。這種簡(jiǎn)化帶來(lái)的影響需要考慮。

（3）無(wú)論對(duì)于風(fēng)洞模擬還是CFD仿真，壁面邊界條件對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，需使用大氣邊界條件。建議在實(shí)船測(cè)量中首先測(cè)得大氣邊界中速度型分布，作為CFD與風(fēng)洞模擬的邊界條件。

3.2 實(shí)船測(cè)試技術(shù)

3.2.1 流場(chǎng)顯示技術(shù)

煙流顯示技術(shù)通過(guò)在機(jī)庫(kù)門(mén)上方設(shè)置煙流發(fā)生裝置，通過(guò)攝像機(jī)錄制煙流軌跡從而再現(xiàn)流場(chǎng)環(huán)境。圖15為國(guó)外項(xiàng)目四中使用的煙流發(fā)生器。該技術(shù)是目前使用最多的實(shí)船流場(chǎng)顯示方法，但是煙流粒子擴(kuò)散過(guò)快（約30 s），只能模擬小范圍流場(chǎng)狀態(tài)，并且陣風(fēng)情況下，會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似漩渦的結(jié)構(gòu)，若使用明火裝置的煙流發(fā)生裝置會(huì)存在一定的危險(xiǎn)性。絲帶顯示技術(shù)通過(guò)在機(jī)庫(kù)后部粘貼細(xì)長(zhǎng)、輕質(zhì)的絲帶顯示流場(chǎng)環(huán)境，如圖16所示。存在的問(wèn)題是對(duì)來(lái)流條件要求嚴(yán)格，風(fēng)速過(guò)低使得絲帶無(wú)法正常飄起；來(lái)流偏角過(guò)大，導(dǎo)致絲帶雜亂不具有重復(fù)性。氣泡追蹤技術(shù)將商用氣泡發(fā)生器固定在機(jī)庫(kù)上方，通過(guò)攝像機(jī)錄制氣泡運(yùn)動(dòng)，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是能夠顯示更廣的流場(chǎng)空間以及來(lái)流速度范圍。目前對(duì)于該技術(shù)的改進(jìn)之處主要有如何提高氣泡的分辨率（給氣泡添加顏色等）以及增強(qiáng)氣泡對(duì)鹽分、濕度的耐受性。

3.2.2 流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

實(shí)船測(cè)量技術(shù)主要有探針系統(tǒng)、三軸風(fēng)速儀與超聲波風(fēng)速儀，詳細(xì)對(duì)比如表2所示。

表2 實(shí)船測(cè)量方法優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2 Comparisons of fight measurement techniques

國(guó)內(nèi)項(xiàng)目二中使用自行研制的七孔探針（圖17）系統(tǒng)對(duì)某型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦進(jìn)行實(shí)船測(cè)量。由于七孔探針測(cè)量的是平均速度，因此在回流區(qū)之外的流場(chǎng)有比較好的測(cè)試結(jié)果，能滿(mǎn)足直升飛機(jī)安全起降所需的風(fēng)限圖測(cè)量的要求。但是在回流區(qū)內(nèi)，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得流場(chǎng)速度分布。在國(guó)外項(xiàng)目二的支持下，美國(guó)海軍使用SAMS系統(tǒng)對(duì)8型船進(jìn)行了實(shí)船測(cè)量[36]，該系統(tǒng)在30英尺的立柱上安裝3個(gè)不同方向的Gill UVW三分量風(fēng)速儀（如圖18所示），同時(shí)在立柱內(nèi)置吹風(fēng)機(jī)保證壓力始終為正。在每一來(lái)流工況下，讀取5分鐘的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后移到下一測(cè)點(diǎn)，等測(cè)完所有測(cè)點(diǎn)后，進(jìn)入下一個(gè)工況（風(fēng)向角）。每個(gè)工況測(cè)試時(shí)間約為75分鐘。SAMS系統(tǒng)不光測(cè)量風(fēng)速，還記錄艦船的航行速度以及風(fēng)向角。通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取流動(dòng)速度的時(shí)均值以及各測(cè)點(diǎn)的湍流頻譜密度，作為直升機(jī)飛行模擬器的輸入?yún)?shù)。

在國(guó)外項(xiàng)目一支持下，1994年，英國(guó)使用三軸風(fēng)速儀對(duì)Type23護(hù)衛(wèi)艦（圖19）進(jìn)行實(shí)船測(cè)量，測(cè)點(diǎn)位置如圖20所示。測(cè)試工況包括0°、45°和90°三種。由于三軸風(fēng)速儀內(nèi)在慣性的影響，對(duì)于湍流場(chǎng)的測(cè)量并不準(zhǔn)確，隨后改用超聲波風(fēng)速儀進(jìn)行了測(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中同時(shí)記錄了船的角位移、加速度和速度。

在國(guó)外項(xiàng)目三的支持下，美國(guó)海軍使用超聲波風(fēng)速儀（R.M.Young ultrasonic anemometer）對(duì)USS Peleliu航母進(jìn)行測(cè)量（圖8，圖21）。四個(gè)超聲波風(fēng)速儀分別安裝在20英尺高的立柱頂端，用于獲得實(shí)時(shí)的流場(chǎng)信息。

3.2.3其它流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)

無(wú)論是使用探針系統(tǒng)還是超聲波風(fēng)速儀，測(cè)量?jī)x器（如立柱、支架）不可避免地對(duì)艉部流場(chǎng)環(huán)境產(chǎn)生干擾，而且無(wú)法同時(shí)測(cè)量整個(gè)流場(chǎng)環(huán)境。在國(guó)外項(xiàng)目一和二的支持下，美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部發(fā)展和試驗(yàn)了一種艦載航空激光測(cè)量湍流系統(tǒng)（SALTS）。該系統(tǒng)通過(guò)在甲板及機(jī)庫(kù)上安裝三個(gè)協(xié)作激光發(fā)射器進(jìn)行掃描甲板上方及飛行器路徑，從而獲取整個(gè)流場(chǎng)信息（如圖22所示）。

3.2.4 小結(jié)

（1）實(shí)船測(cè)量前，使用風(fēng)洞試驗(yàn)/CFD模擬獲得大致的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與范圍，用于布置風(fēng)速儀的安裝位置。

（2）測(cè)試環(huán)境應(yīng)有足夠的自然風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，保證有風(fēng)向角下具有足夠的數(shù)據(jù)采集時(shí)間。

（3）來(lái)流風(fēng)場(chǎng)信息應(yīng)實(shí)時(shí)傳遞駕駛室，盡量保證在數(shù)據(jù)采集期間來(lái)流工況不變。

（4）目前成熟的實(shí)船風(fēng)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)主要是三軸風(fēng)速儀以及超聲波風(fēng)速儀系統(tǒng)。由于三軸風(fēng)速儀存在慣性以及響應(yīng)頻率過(guò)低的缺點(diǎn)，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的湍流場(chǎng)信息。

（5）SALTS測(cè)試系統(tǒng)有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景十分廣泛，亟需進(jìn)一步深入研究。

3.3 CFD仿真技術(shù)

前文提及的七個(gè)國(guó)外項(xiàng)目都不同程度地提及CFD技術(shù)在艦面空氣流場(chǎng)研究中的重要性。可以預(yù)測(cè)到，隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)艦船艦面空氣流場(chǎng)以及艦船/艦載機(jī)干擾流場(chǎng)的研究主要依賴(lài)于CFD技術(shù)，而有限的風(fēng)洞試驗(yàn)與實(shí)船測(cè)量結(jié)果也將僅作為CFD計(jì)算結(jié)果的考核數(shù)據(jù)?；诶字Z平均方程（Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations,RANS）的湍流模型、大渦模擬方法（Large Eddy Simulation,LES）以及結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)的混合方法（RANS/LES Hybrid Method）成為目前模擬艦船湍流流動(dòng)問(wèn)題最為實(shí)際可行的方法。

RANS方法是將湍流脈動(dòng)的所有細(xì)節(jié)信息使用模型進(jìn)行模化，忽略流場(chǎng)的非定常特性，得出平均的流場(chǎng)信息，計(jì)算效率最高。Reddy等人[38]和Wakefield等人[39]分別對(duì)最簡(jiǎn)單的SFS外形（圖7）進(jìn)行了定常模擬。與試驗(yàn)結(jié)果相比，雖然定常的CFD計(jì)算能夠捕捉到主要的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，但預(yù)測(cè)的艉部回流區(qū)尺寸仍有差別。

LES方法是將大于濾波尺度的湍流脈動(dòng)進(jìn)行直接求解，而小于濾波尺度的湍流脈動(dòng)細(xì)節(jié)使用模型進(jìn)行?；?。計(jì)算網(wǎng)格的尺度一般要與湍流慣性子區(qū)的尺寸一致，因此網(wǎng)格數(shù)量巨大，計(jì)算代價(jià)最高；在國(guó)外項(xiàng)目三的支持下，Polsky等人[5，40]使用單調(diào)集成大渦模擬方法MILES（Monotone Integrated Large-Eddy Simulation）對(duì)SFS（圖7）、LHA-2（圖4）等船形進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好。在國(guó)外項(xiàng)目四的支持下，Snyder等人[3]同樣使用MILES方法對(duì)USNA YP（圖9）艉流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，取得較好的結(jié)果，如圖23所示。

RANS/LES混合方法將壁面附近各向異性的湍流脈動(dòng)結(jié)構(gòu)使用RANS進(jìn)行模化，在流動(dòng)分離區(qū)域使用LES直接求解，兼顧了計(jì)算精度與計(jì)算效率。Forrest等人[41]使用脫體渦模擬方法（Detached Eddy Simulation,DES）對(duì)SFS2（圖14）、Type23（圖19）兩種船型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)與Type23的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，指出在CFD計(jì)算中引入大氣邊界層進(jìn)口邊界條件的重要性。圖24為T(mén)ype23船型時(shí)均流場(chǎng)與瞬時(shí)流場(chǎng)結(jié)果，可以看到DES方法能夠準(zhǔn)確地捕捉艦面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

4 艦面空氣流場(chǎng)影響因素

4.1 馬赫數(shù)與雷諾數(shù)

風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)必須考慮相似性的問(wèn)題，在對(duì)應(yīng)時(shí)刻、對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的物理量成比例的兩個(gè)流場(chǎng)稱(chēng)為力學(xué)相似流場(chǎng)；在相似流動(dòng)中，指定的具有代表性的物理量稱(chēng)為特征物理量；任一物理量與其特征量之比稱(chēng)為無(wú)因次量。對(duì)于無(wú)因次量進(jìn)行相應(yīng)推導(dǎo)又可以得到若干無(wú)因次參數(shù)：雷諾數(shù)（Re）、傅汝德數(shù)（Fr）、斯特羅哈爾數(shù)（St）和馬赫數(shù)（Ma），這些無(wú)因次參數(shù)是決定流動(dòng)相似的重要條件，故通常稱(chēng)它們?yōu)橄嗨茰?zhǔn)數(shù)。艉部空氣流場(chǎng)研究的重點(diǎn)在于艦面及周邊一定區(qū)域內(nèi)的湍流速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)變化對(duì)艦載機(jī)的氣動(dòng)影響問(wèn)題，主要與馬赫數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)。

雷諾數(shù)（Re）表征流體運(yùn)動(dòng)的慣性力與粘性力之比。Re改變時(shí)，粘性流動(dòng)的性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變。對(duì)于分離區(qū)來(lái)說(shuō)，不同Re數(shù)下的分離點(diǎn)、再附點(diǎn)位置各不相同，渦結(jié)構(gòu)脫落的頻率也會(huì)發(fā)生改變。對(duì)于艦船艉部流場(chǎng)，由于分離點(diǎn)固定在機(jī)庫(kù)后緣，一般認(rèn)為回流區(qū)結(jié)構(gòu)隨雷諾數(shù)變化不大，只是再附點(diǎn)和渦核位置稍有差別[9]，如圖26所示。

4.2 其他影響因素

一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)向角越大，機(jī)庫(kù)背風(fēng)面的渦流區(qū)范圍越大，湍流度增加，流場(chǎng)品質(zhì)變差，如圖27所示。

機(jī)庫(kù)門(mén)的開(kāi)閉狀態(tài)（如圖28所示）對(duì)艦船艉部空氣流場(chǎng)有較大的影響，在制定風(fēng)限圖時(shí)必須指明機(jī)庫(kù)門(mén)的開(kāi)閉狀態(tài)。風(fēng)洞試驗(yàn)初步表明，打開(kāi)機(jī)庫(kù)門(mén)后，機(jī)庫(kù)后部氣流的下沖分量加大，因此惡化了直升機(jī)的“前沖”現(xiàn)象。同時(shí)，艦船艉部回流區(qū)渦核位置移向機(jī)庫(kù)，回流區(qū)范圍變小，如圖29、圖30所示[13]。另外機(jī)庫(kù)門(mén)的開(kāi)閉狀態(tài)主要對(duì)于直升機(jī)旋翼擾流的影響較大，需要進(jìn)一步的研究。

如圖31所示，在實(shí)際航行過(guò)程中，由于海浪作用，船體有一定的縱搖與橫搖運(yùn)動(dòng)。船體運(yùn)動(dòng)對(duì)于艦船艉部空氣流場(chǎng)有兩方面的作用：一方面使固連的風(fēng)速傳感器進(jìn)行剛體運(yùn)動(dòng)，需要在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中剔除這部分?jǐn)_動(dòng)速度；另一方面，船體運(yùn)動(dòng)會(huì)造成艉部流動(dòng)結(jié)構(gòu)改變，船體運(yùn)動(dòng)頻率與艉部渦脫落頻率之間的耦合效應(yīng)需要進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

艦船艦面空氣流場(chǎng)研究對(duì)直升機(jī)艦上安全起降有重要的意義，是機(jī)—艦動(dòng)態(tài)配合研究的重要組成部分。該方向的研究一方面將促進(jìn)我國(guó)艦載直升機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展，另一方面將指導(dǎo)艦艇上層建筑的合理設(shè)計(jì)和布置。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外典型的艦面空氣流場(chǎng)測(cè)量項(xiàng)目進(jìn)行分析總結(jié)，艦面空氣流場(chǎng)研究是一項(xiàng)巨大且復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涵蓋了風(fēng)洞試驗(yàn)、實(shí)船測(cè)量以及CFD仿真三項(xiàng)技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)：

（1）風(fēng)洞試驗(yàn)有如下優(yōu)點(diǎn)：a.能比較準(zhǔn)確地控制試驗(yàn)條件，如氣流的速度、壓力、溫度等。b.試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，受氣候條件和時(shí)間的影響小，模型和測(cè)試儀器的安裝、操作、使用比較方便；c.相比實(shí)船測(cè)量，風(fēng)洞試驗(yàn)比較安全，而且效率高、成本低。存在的主要問(wèn)題是模型縮比造成的流場(chǎng)相似性問(wèn)題。在艦面空氣流場(chǎng)協(xié)同測(cè)量項(xiàng)目中，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果常作為驗(yàn)證CFD計(jì)算的考核數(shù)據(jù)。

（2）實(shí)船測(cè)量能夠獲得真實(shí)流場(chǎng)信息，但存在來(lái)流條件不可控、流場(chǎng)信息過(guò)少、安全性、成本高等問(wèn)題，是三種測(cè)試手段中最為復(fù)雜、代價(jià)最大的方法。在實(shí)船測(cè)量過(guò)程中，需要考慮船體運(yùn)動(dòng)、艦載電磁設(shè)備等多種因素對(duì)測(cè)試儀器的干擾。

（3）CFD技術(shù)具有成本低、效率高、流場(chǎng)信息豐富且可模擬各種不同工況等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，故其逐漸成為艦面空氣流場(chǎng)分析的重要手段，但CFD計(jì)算結(jié)果受到計(jì)算格式、物理模型以及網(wǎng)格因素的影響，存在計(jì)算精度可信度的問(wèn)題。需要以風(fēng)洞試驗(yàn)或?qū)嵈瑴y(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，盡量消除上述因素對(duì)計(jì)算精度的影響。