載機艦船氣流場相關研究綜述

賀少華，劉東岳，譚大力，劉 平，顏世偉

(海軍裝備研究院，北京 100161)

0 引 言

艦載機起降是航母上最復雜、最精細、最危險的作業種類，從美國海軍航母服役歷史看，艦載機起降引發的安全事故不勝枚舉，一年中因此喪生的飛行員人數最多達到數百人，超過了海灣戰爭中美軍的所有傷亡總數[1]。據研究統計，航母艦載機飛行員的生命危險概率遠遠高于陸基噴氣轟炸機飛行員、民航飛行員、宇航員等其他類型飛行員。艦載機起降安全已成為艦載機上艦、航母形成戰斗力必須首先解決的問題，是各國海軍航母發展最為重視的問題之一。

圖1 美國海軍LHA艦載機安全甲板風包絡Fig.1 WOD envelope of an aircraft of an LHA

國外研究表明，影響艦載機起降安全的不確定因素主要包括著艦環境可視度的下降(如夜間、霧天等)、母艦的六自由度運動、艦船氣流場的干擾、著艦區域的限制等[2]。其中，氣流場是銜接艦載機與母艦，體現航母艦機適配性能優劣的關鍵因素。飛行甲板上方及周圍的空氣流場復雜，不穩定流場對著艦過程中的艦載機平衡和操穩性能會產生很大影響，直接危及飛行安全，故艦載機起降對母艦的甲板風(包括風速和風向)提出要求，通常稱之為甲板風包絡(wind-over the deck envelopes)，如圖1所示。

本質上，艦船氣流場是一種在時間域和空間域均分布較廣的、三維的、不穩定的流場，通常含有大量流動分離的區域，同時，還存在較強的湍流擬序結構從艦船上層建筑和鈍邊脫落的現象，對艦載機的動力響應、機身載荷、飛行員操作等均產生影響。 艦船氣流場的特性已經成為艦船-艦載機適配設計工作中必須考慮的問題，這一問題的研究在美國已經成為艦機SAFEDI(safe dynamic interface)研究領域中的一個最主要內容。

1 研究內容

載機艦船氣流場相關研究具體內容主要包括氣流場建模、數值算法、計算加速技術等，其中，氣流場建模主要指的是艦-流場-機系統方程的建立，如駕駛員操控、飛行動力學、氣流場、母艦運動、海水流場等的全部或部分耦合建模及復雜流場特征如渦的模擬等；數值算法主要指的是系統方程的離散方法及系統解的迭代方法等，包括快速性和精確性2個方面的要求，如系統控制方程的有限體積法離散、隱式/顯式迭代算法、預測-修正算法等；計算加速技術主要指的是求解速度的提高，主要藉由算法改進和硬件資源的有效利用、提高來實現，如并行算法、欠松弛技術與SIMPLER算法等。

2 研究方法和思路

載機艦船氣流場相關研究的方法主要有2種：第1種是計算機建模與數值仿真方法，即CFD計算；第2種為縮比模型風洞測試或實船海上測試(wind tunnel & at-sea tests)。在相關理論還不健全和計算機數值計算能力還較低的階段，載機艦船氣流場相關研究主要采用的是第2種，但該試驗方法成本高，測試范圍有限。計算機建模和數值仿真計算方法可以克服傳統試驗方法研究的弊端，能夠將研究對象參數范圍和復雜程度拓展到理論所允許的任何范圍。在國外，計算機建模與仿真計算方法已成為載機艦船氣流場研究的一種重要方法，與模型(實物或半實物)試驗研究方法、(陸上)海上實船(實裝)測試方法相互補充，各取所長。

可以簡單地將艦船氣流場對起降中的艦載機或者說對飛行員駕控(自動駕駛儀)的影響看成是單向，但實際上是雙向，即前者對后者產生影響的同時，后者對前者產生影響，所以，以往研究主要有2類：一類為兩步法，即預先得到純艦船環境下的氣流場特征，之后，以此為激勵，研究艦載機在這一激勵下的響應；另一類為耦合法，即艦載機(包括飛行員駕控、機身及其運動、旋翼、動力渦輪進排氣等)反過來會對氣流場產生影響，二者互為耦合關系，試驗及計算時艦載機和母艦要同時考慮。很顯然，第2類研究要相對真實，但耦合的處理十分復雜，而第1類研究雖然缺乏對耦合的考慮，但在多數情況下還是能夠得到有用的結論，且研究成本低。

3 具體研究工作

3.1 風洞和實船測試

艦船氣流場的實驗測試或者說驗證主要采用縮比模型風洞測試和全尺寸或海上實船氣流場測試2種方式，如圖2和圖3所示。

圖2 艦船縮比模型氣流場測試Fig.2 Wind tunnel test of the scaled model of a carrier

圖3 海上實船氣流場測試Fig.3 At sea test of ship airwakes

1)不考慮與艦載機的耦合

國外采用大量實驗研究方法從事氣流場環境的研究，即為獲得各種風況和環境中艦船(不考慮艦載機存在的影響)的氣流場特征數據，設計縮比模型在風洞中進行測試或在海上對實船進行測試。以俄羅斯為例，在研制大型艦船時，在風洞中進行近1個月的氣流場環境試驗測量，在艦船建造期間針對實船進行大量的實際測量。在美國，截至2008年，NAVAIR完成的相關工作和研究主要有：① 全尺寸(實船)測試實驗：LHA，CVN 76等；② 縮比模型風洞實驗：LHA，CVN 73,CVN 76，DDG 81，DD 963，LPD 17，主桅桿及天線等。部分實驗考慮了母艦的運動[2]。美國艦船氣流場風洞實驗測試主要在馬里蘭州帕特克森特河海軍空戰中心-NAWC(見圖4)以及NASA低速風洞試驗場完成。美國NASA的多個研究基地均有自己的風洞設施，但這些風洞的功能使命不同，風洞類型也不同，對于艦船氣流場的測試，則利用低速風洞進行，多個研究基地均能進行此類試驗。

2)考慮與艦載機的耦合

艦船氣流場環境中的艦載機(包括機身及其運動、旋翼、動力渦輪進排氣等)反過來會對氣流場環境產生影響，即氣流場實際上是一種時變的耦合場。在進行實驗測試時，需要將艦載機考慮進來，如圖5所示。該實驗模擬直升機在典型艦船機庫-甲板位置著艦時的情形，最終測得的氣流場速度數據如圖6中箭頭所示，很顯然，此時的氣流場特征與不考慮直升機時的氣流場特征肯定不同。艦載機本身運動制造的氣流場很難在風洞中模擬，所以，在風洞中一般只測量艦載機在空中定位靜止時的耦合氣流場。

圖4 美國海軍空戰中心的縮比模型風洞測試實驗裝備Fig.4 Some devices for wind tunnel test of NAWC, US Navy

圖5 考慮耦合的氣流場試驗測試Fig.5 Coupled airwake test for a helicopter

圖6 耦合氣流場實驗測試結果Fig.6 Results of coupled airwake test of a helicopter

通過風洞測試耦合氣流場的以往研究有：文獻[3]研究了CPF艦流場中風速和風向對1架流場中的四槳艦載機發動機模型氣動力的影響。結果顯示，氣流場使得發動機進氣減少，因而發動機推力顯著減小，對飛行員的工作負荷和操作包絡會產生明顯的影響；文獻[4]開展風洞試驗，考察CPF艦湍流氣流場中“海王”直升機機身的不穩定空氣動力載荷；文獻[5-6]得到了氣流中V-22傾轉旋翼機的機身力和力矩，以及詳細的速度場測量值，與LHA艦進行縮比模型試驗。

3.2 計算機建模與數值仿真

氣流場海上實船測試十分困難，特別是需要得到甲板風包絡時。原因主要包括：風速和風向的可能組合很多，實驗成本高，風況也很難滿足，真實艦載機起降耗費高、風險大。風洞實驗能夠精確控制風況，其他各方面受控性也較好，但由于通常采用小尺度的船模，無法獲得全尺度時的高雷諾數，結果的準確性難以保證，所以風洞實驗適宜作為CFD的驗證手段。

采用CFD方法進行艦船氣流場的研究具有可控、安全、成本低的特點，它可被用在培訓飛行員的飛行仿真器上。同時，它也是一種工程和設計領域非常好的仿真工具，用來輔助開發高級飛行控制系統和設計未來艦船。

在CFD中，湍流的建模非常重要。現今有許多不同的方法數值模擬湍流流動，其中包括解雷諾平均Navier-Stokes 方程(RANS) 、大渦模擬(LES) 以及直接數值模擬(DNS) 等。對艦船來說，其周圍的繞流流場非常復雜，如果單一地采用上述某一種方法，要么計算量太大，要么計算結果較差。若在湍流附面層內采用RANS方法而在其他區域采用LES方法，就可以大大降低計算時間和計算資源的消耗，所得到的計算結果與RANS相比會有所改善，DES(脫體渦模擬)方法就是基于該思想，在湍流附面層內采用RANS 方法通過雷諾平均假設模擬附面層內的湍流流動，在其他區域采用LES方法模擬脫體渦運動。加拿大海軍對其某型護衛艦的縮比模型(SFS2)進行風洞試驗和DES數值模擬計算，二者結果吻合較好，表明DES 能夠較好地對大尺度的湍流結構進行數值模擬[7]。

1)不考慮與艦載機的耦合

國內外基于CFD的艦船氣流場研究出于簡單的考慮，大多不考慮與艦載機的耦合，這樣，飛行動力學和CFD可以分開單獨計算，避免復雜的建模要求，降低計算成本。文獻[8]采用定常RANS方法對DD 963型艦氣流場進行數值仿真計算；文獻[9]解釋了定常 RANS仿真和試驗數據之間存在差異的原因在于該仿真方法忽略了流體的不穩定特性；文獻[10]采用非粘性流體仿真方法獲得了該國海軍6艘不同型號艦船的定常氣流場，該氣流場數據主要運用在直升機飛行模擬器上；文獻[11]提出精確時間氣流場對飛行模擬器的仿真度而言十分重要，飛行模擬器需要考慮精確時間氣流場模型，CFD必須考慮風向改變的因素；文獻[12-13]采用大渦模擬對LPD 17艦氣流場進行計算；文獻[14]還研究了網格質量和空氣邊界層建模對橫風時(90°時)氣流場的影響，空氣邊界層被建模成遠場入/出流邊界條件(考慮對海平面的足夠的網格分辨率)，進一步比較仿真計算結果與全尺寸試驗結果的差異；文獻[15-16]對LHA艦的氣流場進行初步的定常/非定常計算，采用LES方法；文獻[17-18]建立結構和非結構網格，采用非線性擾動方程方法(不考慮粘性項)對通用SFS艦(模型)進行非定常氣流場解算；文獻[19]對SFS、CVN 75和LHA等艦的定常氣流場進行仿真計算；文獻[20]對LPH 17進行無粘性氣流場仿真。

2)考慮與艦載機的耦合

湍流是一種低雷諾數流，盡管如此，它會與艦載機本身產生的流場產生耦合。 另外的耦合因素還包括飛行員、艦載機(包括機身及其運動、旋翼、動力渦輪進排氣等)等。

文獻[21-24]對艦船與艦載機(直升機)轉子、機身的交互氣流場進行研究。文獻[15]計算了AV-8B在不同盤旋高度時的下洗氣流場與LHA兩棲攻擊艦氣流場的耦合特征，并計劃進行垂直/短距起降艦載機與艦船耦合氣流場的仿真計算。文獻[16]研究魚鷹V-22傾轉翼艦載機發動機產生氣流場與LHA氣流場的耦合。上述研究中，艦載機的位置一般是定點的， 且考慮了飛行員的補償。

不考慮艦載機耦合因素與考慮艦載機耦合因素的氣流場特征和對飛行員駕控的影響究竟有多大差異，文獻[25]的研究具有一定的參考價值。文獻[25]建立了飛行員的仿真模型，對直升機在LHA 1兩棲攻擊艦氣流場中盤旋和進近著艦2種情況進行研究，對比“無耦合”和“耦合”計算結果的差異，得到的主要結論有：對于盤旋的情況，可以看到2種方法在時間歷程和飛行員控制譜(control activity autospectra)方面存在的差異，與飛行測試數據相比，2種方法都低估了氣流場帶來的不穩定擾動，“耦合”低估得更厲害，給出的解釋為直升機旋槳導致的氣流下洗使得從甲板橫向邊緣脫落的漩渦無法上升，即無法接近直升機機身，減小了漩渦對飛行動力學的影響。對于進近著艦的情況，“耦合”計算結果更接近飛行測試數據，飛行員的工作負荷結果基本相同，“耦合”略微有提高，這里的“相同”可以解釋為從艦島豎直邊脫落的漩渦受到直升機下洗氣流的影響不像盤旋時那樣明顯。

“無耦合”方法，使用預先CFD計算好的流場數據作為輸入，比“耦合”方法更加靈活快捷，因為在“耦合”方法中，CFD和飛行動力學分析在每一計算時間步都要互相交換數據。但“耦合”方法在當艦船氣流場與艦載機下洗氣流有較強干擾時，計算精度較高。

“耦合”方法可以帶來仿真度的提高，因為在CFD計算考慮了艦載機下洗氣流的影響，盡管如此，文獻[25]計算發現，該結論并不總是成立的，比如，在該文的直升機盤旋狀況時，“耦合”方法計算結果確實顯示出直升機下洗氣流對艦船氣流場有明顯的擾動影響，但是這種下洗影響反而帶來了相對飛行測試數據的更大偏差和對飛行員工作負荷的低估，這可能是因為下洗氣流與艦船氣流場的交互影響對環境條件、艦載機的相對位置、制造氣流場的結構物等是高度敏感的，需要進行進一步的研究。

4 關鍵技術

4.1 大規模復雜艦船氣流場建模技術

大型艦船的復雜幾何特征使得艦船氣流場的建模和分析均存在很多技術上的挑戰，建模(包括幾何建模、離散建模等)需要考慮艦船復雜幾何特征的精確表達，這些幾何特征主要包括艦船上層建筑和形狀不規則部位(如突兀邊、角等)。艦船上層建筑主要包括艦島、天線、雷達、排氣煙窗等，其周圍氣流場是很難預測的。需要在研究氣流場對建模參數敏感度的基礎上，對復雜幾何和網格進行一定的簡化，以在盡量不影響計算精度的前提下降低模型的復雜度，從而提高計算速度。

湍流、漩渦、分離等物理現象的數值模擬是決定氣流場數值仿真度高低的關鍵，對母艦附近風場中的漩渦、分離、多流動結構干擾、結構擬序等復雜物理現象進行準確地描述難度大、要求高。

另外，還必須考慮飛行員、艦載機(包括機身及其運動、旋翼、動力渦輪進排氣等)的耦合建模，以及艦船運動即飛行甲板的運動、海浪等因素的建模。

4.2 大規模復雜艦船氣流場計算技術

艦載機(運動、機身、槳葉、渦輪動力進排氣等)與飛行員、氣流場、母艦構成一個十分龐大且復雜的系統，對方程解算和計算機硬件資源提出了很高的要求。精確時間求解所有氣流場特征：湍流、邊界層、流動分離等，是一件十分有挑戰性的工作。幅度的不穩定需要長時間的計算，艦船的復雜網格將占用巨大的計算資源，如何實現求解精度與建模、計算速度代價的最佳平衡是一個有難度的問題。針對這個系統，需要研究快速建立系統方程和數值求解方程的方法，研究結果誤差產生的來源。

5 我國的現狀及差距

國內對于載機艦船氣流場的專門研究已有十多年的歷史，從已公開的文獻來看，重點研究單位包括中國艦船研究設計中心、哈爾濱工程大學、北京航空航天大學等，研究大多集中在對純艦船環境氣流場(不考慮與艦載機的耦合)的仿真計算、縮比模型風洞試驗和實船測試中，且艦船縮比模型風洞試驗和實船測試進行的次數十分有限，許多研究僅限于CFD仿真計算，缺乏試驗數據的檢驗。采用的數值仿真計算工具多為Fluent、CFX等。

與國外先進水平相比，國內在艦船氣流場相關研究方面存在的差距主要體現在：一是缺乏考慮甲板艦載機駐停狀態、海水流場、母艦六自由度運動、艦載機自身制造流場等因素的復雜耦合氣流場的研究；二是艦載機在起降時，母艦、空氣、艦載機三者構成一個實時動力學耦合的整體，這才是“實際”，但目前國內采用的還是上文所述的“非耦合方法”研究思路，偏離了實際；三是對于母艦特征氣流場品質的評價，從國外的情況和發展趨勢看，應是在實現上述“實時”和“耦合”的基礎上，得到艦載機的響應和最終的艦載機起降安全甲板風包絡，以安全甲板風包絡作為最重要的一個氣流場品質評價指標，目前國內的研究還沒有深入到這一步。

6 展 望

更真實地揭示現實世界的客觀規律是科學研究和建模仿真技術永無止境的追求，實際上，艦船氣流場問題是一個多因素耦合的復雜系統問題，如圖7所示。目前的所有研究都對該復雜系統進行了不同形式的簡化，尤其是國內的相關研究，只是實現了該復雜鏈路中部分鏈路的仿真。

圖7 艦船氣流場問題中各因素的相互關系(艦載機著艦時)Fig.7 Aircraft recovery model

為實現對上述復雜系統愈加逼真的仿真，近年來，在艦船氣流場研究領域，學者們試圖將耦合氣流場(CFD)引入到實時飛行動力學仿真中，即飛行員(自動駕駛儀)-艦載機-氣流場-艦船這一完整環路的實時解算，以更真實地模擬艦載機受到的實時氣流場的氣動力，從而更真實地進行飛行動力學模擬和艦載機起降模擬。理論模型的不完善，以及計算速度的瓶頸，導致目前(從公開的資料看)還沒有很好的解決這一問題。2005年至今，英、美等國都進行了相關研究，取得了一些成果。如文獻[25]采用并行計算的方法，飛行動力學和CFD并行解算，在每一時間步交換數據。這種并行計算的方法還無法做到完全實時，且容易產生累積誤差，所以，適合應用在機-氣-艦適配性的離線仿真評估中。英國在21世紀初至今在CFD引入飛行動力學仿真方面做了大量的工作，如利物浦大學于2006-2009年對CFD實時解算飛行動力學問題進行了研究，在加快方程解算速度方面取得了一定的成果[26]；南安普敦大學于2006年開始的基于實時CFD的直升機飛行仿真[27]研究表明：當計算機處理器內核(processor cores)增加到500～1000時，仿真運行達到流暢水平。

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