直升機-艦動態配合的艦面流場環境研究綜述

馬鴻儒,孫文勝,穆志韜,李旭東

(海軍航空工程學院青島校區,山東青島266041)

直升機-艦動態配合的艦面流場環境研究綜述

馬鴻儒,孫文勝,穆志韜,李旭東

(海軍航空工程學院青島校區,山東青島266041)

研究了制約直升機-艦動態配合性能的首要原因——直升機的載艦在海上風場、艦面特殊結構、艦艇運動等因素作用下形成的非定常艦面紊流場。在總結早期直升機-艦動態配合試驗研究特點的基礎上,分析了艦面流場海上實測試驗的方法及其發展;針對艦面流場模擬普遍采用的CFD技術,分析了艦面流場CFD仿真的發展過程及現狀。評價了新型CFD方法——DES在處理大分離渦外流方面的優勢,指出了DES在艦面流場仿真領域的光明前景。

直升機;動態配合;艦面流場;DES

艦載直升機與載艦的動態配合性能是直升機-艦適配性的重要組成部分,意指直升機在近船或艦面操縱時直升機與艦的運動和其復雜流場相適應完成任務的能力。機-艦動態配合是一個復雜的空氣動力學過程,包含大氣紊流和突風的海面風場、流經上層建筑等結構產生畸變的艦面流場、直升機旋翼尾流場以及它們之間的耦合作用構成了直升機起飛、降落所處的非定常的流場環境。在直升機-艦動態配合諸多的影響因素中,艦面紊流場對于直升機發揮其良好的操縱性和穩定性,完成艦上起降任務的能力具有重要作用,因此艦面流場環境測試在動態配合測試程序中居于首要地位。文中結合直升機-艦動態配合研究的發展,對艦面流場測試及仿真研究的現狀進行綜述,并對其未來發展方向作出展望。

1 直升機-艦動態配合試驗

1.1 國外研究

在機-艦配合試驗研究的早期階段,國外對特定的直升機/艦組合進行了針對性極強的試驗,最主要的目的就是確定安全起降包絡線。直升機在艦上的安全起降包絡線是直升機與載艦配合執行起降任務能力的體現,一般包括以下幾個方面[1]:特定的直升機和艦組合;起飛和進場的過程或航向;不同風向允許的最大相對風速;艦的最大橫搖角、縱搖角。如圖1所示。

圖1 典型的直升機甲板操縱包絡線[3]Fig.1 Typical envelope of helicopter operating on the deck

經過這一階段的研究,一方面形成了艦載直升機艦上操縱的規范和對載艦的合格性要求;另一方面,經過這一階段的發展,動態配合試驗法已經成為了一門專門的學科,一些實驗室比如美國海軍航空兵實驗中心NATC和荷蘭海軍研究實驗室NRL已經將其標準化[2]。總結這一階段的試驗,可以得出一些研究的共性。

在這些試驗中,飛行器上通常都裝有電子儀表來記錄動態配合時飛行器的運動和姿態參數。雖然試驗方案具有多重目標,其當時試驗的重點都放在起飛/降落包線的研究和對已有包線的擴展上。試驗過程中要求直升機在某一特定的外界環境條件以及一定的直升機狀態下起飛和降落,之后,由飛行員利用飛行員等級評定標準對整個過程進行評級。評定等級的依據是艦載環境下直升機的控制裕度、飛行品質和性能,以及由此引起的飛行員工作負荷的變化。最后,以上述依據繪制各種環境下的晝夜間操縱包線。

雖然上述海上試驗在一定程度上確保了直升機艦上操縱安全的問題,但是,要對此過程中影響因素進行量化分析,還要進行精確測定才行。總結以往飛行試驗的結果,人們逐漸發現,受海上紊流、艦面設備及上層建筑引起的渦流、艦面溫度場分布不均等干擾形成的復雜艦尾流對直升機操縱影響巨大,于是進行了一系列艦尾流評估和測試。

美國海軍研究生學校(NPS)對驅逐艦的艦面流場進行了一系列的模型試驗研究。其中,Gustav A. Anderson[4]在DD963模型艦上進行了直升機特定飛行航線上尾流場的繪圖,并與之前該校進行的低速風洞可視化流場研究結果進行對比,指出了該航線上非定常的艦尾流效應。M.M.Rhoades[5]在另一型艦——AOR級上進行了類似試驗,給出了測得的飛行甲板上方流場示意圖,之后他又利用改進的速度測量工具進行試驗,在甲板上方發現了非常規的速度分量和強烈紊流的存在[6]。這些試驗結果一方面證明了前期各國海上試驗總結得出的規律——艦面上方存在紊亂的艦尾流場會給直升機操縱帶來顯著影響,同時也為之后的艦尾流仿真提供了可參照的依據。

澳大利亞國防部也在20世紀90年代初對直升機載艦艦面流場特性進行了研究。首先進行的是FFG7驅逐艦甲板流場海上測量試驗[7],記錄了艦船運動、參照風速、以及甲板風速等信息。A.M.Arney[8]對該試驗實測數據的采集和處理的細節進行了描述,針對數據采集時存在的艦上高頻發射裝置干擾問題,提出了還原數據剔除干擾的方法。Lin-coln P.Erm[9]則對SH-60B/FFG-7機艦仿真程序所用的艦尾流模型進行了詳細研究。該模型基于另一型艦的風洞試驗數據,但針對FFG-7艦外形特點對數據進行了修正,結果顯示風洞中速度測量值與實測數據有很多不同,證明風洞試驗數據在一定程度上的不可靠性。

1.2 國內研究

我國自20世紀80年代以來,隨著海軍艦載直升機的逐步發展,開始直升機-艦配合方面的研究工作。陳碧云結合國外艦載直升機發展的特點,討論了直升機裝艦若干問題[10],詳細指出了影響直升機/艦船動態配合的有關因素,重點介紹了艦載直升機起降限制和飛行包線的確定方法。林河泉、傅百先等關于動態配合的討論也多是在參考國外動態配合試驗的基礎上對飛行包線的確定進行論述,據目前掌握資料尚無公開進行的機艦動態配合試驗。模型研究方面,劉航[11]在南航NH-2閉口回流式低速風洞中進行了艦模尾流場風洞試驗、流譜試驗和地面模擬試驗。試驗中觀察到了美國海軍研究院試驗中出現的流譜圖像和流動特性,結果表明,飛行甲板上方的流動極為復雜,表現出十分強烈的三維性和隨機性,特別是經過機庫后發生了大規模分離,形成了一定的渦流區。由于該試驗在國內尚屬首次,船模中未考慮復雜的上層建筑,也未模擬艦船各方向運動,因此流場模擬結果的精度還較低。

2 艦尾流仿真計算

隨著計算流體力學(CFD)技術的發展,動態配合的計算機仿真為目前的直升機/艦系統開發、測試和性能預測包括預測飛行包線,提供了新的解決思路。

在已經進行的直升機/艦動態配合仿真系統中,最有代表性的當屬美國的 JSHIP(Joint Shipboard Helicopter Integration Process)項目。該項目于1998年7月開始實施,由美國軍方資助,對一系列機-艦系統進行測試和評估,用以解決在聯合軍事行動中陸軍、空軍直升機在艦上使用與載艦的配合能力,項目為期4～5年。要達到JSHIP中提出的增強聯合行動中諸軍種直升機在艦艇上操縱能力的目標,項目主要是借助 DIMSS(Dynamic Interface Modeling and Simulation System)實現的。有了海上試驗的經驗和初步結論,美國軍方一開始就對DIMSS提出了明確要求,文獻[12]對DIMSS的目標和結構進行了說明,著重研究了整個模型與動態配合試驗相比所要達到的逼真度,給出了DI配合仿真逼真度的算法,如果某仿真系統達不到DIMSS逼真度的要求,文獻[13]介紹了一種基于逼真度反饋的方法改進原仿真系統。

2.1 艦面流場仿真的發展

鑒于流場控制方程的直接求解在大多數情況下仍然難以實現,通常需針對不同流體類型、特征尺度、流場幾何特性等采用合適的求解方程及格式。

一般地,描述艦面流場的流體力學方程可以表示為三維定常/非定常粘性不可壓N-S方程[14]。有關艦面流場的定常N-S方程的計算,國內外進行了大量的研究。Tsze C.Tai[15—16]對層流和紊流情況都進行了考慮,描述了利用多區域、薄層N-S方程對DD-963艦尾流進行仿真。所得的流場包括含有大面積自由渦的氣流分離區,風洞試驗中表現的包括渦粘干擾的流場特征也有很好的體現。在某個特定的飛行路徑上計算結果與風洞試驗數據吻合良好,艦船尺寸越接近全尺寸,在風速給定的情況下其對應的雷諾數越大,而使艦船尾流的影響性相對減小,同時流場隨風速的變化而產生的變化差異性減小。利物浦大學前期的研究[17—18]表明,使用定常CFD尾流模型與FLGHTLAB直升機模型相結合在模擬器上進行甲板著艦模擬,比海上實測執行任務時飛行員的工作負荷有所增加。Sharma等[19]利用改進的并行流體求解器PUMA計算了LPD-17艦周圍無粘、穩態、時準的流場計算解。他們的穩態解和風洞試驗的頻譜之間取得了很好的一致性。Polsky與Bruner[20—21]利用并行非結構流動求解器COBALT以不同的湍流模型Laminar N-S,MILES,k-ε和SST研究了LHA艦船尾流。結果表明,穩態CFD解不能準確預測紊流場的時均值,并發現湍流模型在計算中計入了太多耗散,因為通量分離格式有很大的耗散性。此外,Tattersall[22],Liu J[23],Guillot[24]以及Reddy[25]等人也分別用不同的湍流模型對N-S方程進行了求解。

2.2 國內研究現狀

我國研究人員也進行了相關研究。非航空艦船方面:孫文勝利用有限元法求解二維定常粘性不可壓N-S方程,對甲板上方艦船縱向對稱面內氣流場進行了仿真[26],表明了采用有限元法求解艦面流場的可行性。吳裕平[27]求解三維N-S方程對艦面流場了仿真,指出甲板后方機庫產生下洗氣流,將對直升機起降產生不利影響。為了滿足在實時仿真中直升機飛行仿真計算對于流場數據的實時性需要,孫文勝[28]在求解N-S方程的基礎上,利用神經網絡的誤差反向傳播算法,可仿真計算甲板流場任一點的流場數據。結果顯示,神經網絡對流場的模擬結果與實驗結果及采用高精度網格的N-S方程模擬結果相比有良好的一致性,同時計算時間大為縮短。機艦動態配合實時仿真及直升機該課目訓練模擬器的開發對于流場數據的實時性都有較高要求,在提高仿真計算硬件之外,該方法提供了一條切實可行的思路。

航空艦船方面對LHA艦的研究較多,中國艦船研究設計中心進行了LHA型艦縮比模型的艦面空氣流場多工況條件的CFD數值模擬計算[29],該數值模擬試驗在定常條件下進行。同時進行了2種飛行甲板形式的艦船空氣流場特性比較研究[30],認為具備采用全通平甲板的各類技術條件時,不推薦使用滑躍式飛行甲板的設計形式。曲飛等[31]通過CFD計算得到了LHA飛行甲板不同著艦點區域的定常氣流場數據,并將CFX定常流數值模擬所得的速度時均值與風洞試驗結果及實船測量數據均進行了對比。

上述研究反映了利用CFD求解艦面流場的發展趨勢——從二維流到三維流,從有限元法到有限體積法等多種方法,求解網格尺寸的精細,在求解中關注了越來越多的外部因素等。要達到為機艦動態配合提供速度場的目的,還更高的求解速度。

3 DES方法在艦面流場仿真中的應用

考慮湍流模型的精度,Hodge S.J.等在文獻[18]的基礎上引入了非定常模型[32],增加了整個仿真的逼真度,將計算結果應用于直升機艦載起降飛行仿真時飛行員工作載荷有所增加。該研究首先采用的是簡單驅逐艦模型(如圖2a所示),來生成CFD尾流數據。近期的研究使用了更切合實際的艦船模型——皇家海軍23型護衛艦[33](如圖2b所示),使得模型精度進一步增加。

圖2 計算采用的艦幾何外形[33]Fig.2 Geometries used for computations[33]

包括上述研究在內,很多利用CFD計算艦船尾流的文章都采用了無粘流方法或雷諾平均的N-S方法(RANS)和一些其他形式的湍流模型[34],然而,多數情況下RANS方法和標準湍流模型在應用于陡壁體產生大分離尾流時給出的結果較差[35]。在高分離區域湍流渦各向異性,并且經常表現出非定常特性,因此湍流模型作用下的結果與他們在試驗條件下得到的參數相去甚遠。由于RANS在處理大范圍分離流時的局限性,人們嘗試用大渦模擬(LES)方法解決問題。大渦模擬的本質是用非穩態的N-S方程直接模擬大尺度渦運動,而通過模型來模擬小尺度渦運動,即大渦直接求解,小渦用模型求解。Camelli等[36]利用Smagorinsky湍流模型對LPD-17艦尾流進行了LES模擬且加入了溫度場。這種情況下的近壁區網格處理是一個難題,另外LES多年來已經被證明對于高雷諾數的外流是不適用的[37]。

由此,綜合RANS法和LES方法優點的分離渦仿真(DES)建模技術[37]應運而生。DES將分離渦區域湍流結構網格進行單獨的精確劃分,而不是對整個流場整體建模,從而克服了傳統湍流模型的限制,保證了尾流的不穩定特性并因此得到了更切合實際的湍流譜。一些驗證性研究表明DES生成的艦船尾流頻譜比非定常RANS方法更接近實驗數據。DES也被應用于多種高雷諾數外部氣動流場中,經證明在氣動預測中,結果等于或在某些情況下好于RANS模型[38]。例如,James S Forrest[39]采用DES方法,對于兩種艦模型——簡單護衛艦和23型護衛艦,以一系列甲板風向角產生了不同的流場, CFD數據與風洞數據和全尺寸海上試驗數據有較好的一致性,提高了CFD模擬流場的精度,從而改善了直升機-艦動態配合仿真精度。

采用DES等更精確CFD方法的重要前提是需要劃分更精細的計算網格。隨著網格更加精細,計算單元數量和計算尾流所需的時間將會增加。當模型復雜時,問題更加嚴重,因為復雜的外形需要更多的網格來精確描述。對CAD模型劃分網格時,采用23型驅逐艦比SFS2所需的計算時間要高出一個數量級。

國內有關該方法的研究相對國外較晚,楊春蕾等[40]對RANS和DES方法的船體繞流模擬及其不確定度進行了分析。空氣動力學領域,目前國內對DES的工程應用案例較少,少數的研究如應用于汽車外流場模擬研究[41]和基本起落架的非定常分離流[42],已經顯示出了在處理大范圍分離流方面良好的計算性能。隨著計算機計算能力的提高,該優勢還將使其在空氣動力學領域內具有廣闊的應用前景。

4 結論

無論是直升機-艦動態配合海上試驗還是動態配合特性仿真研究抑或是訓練模擬器的開發,艦面流場的測量和計算都是直升機-艦動態配合的前提條件,為直升機飛行動力學仿真提供了輸入。艦面流場數據的獲取方式也隨動態配合研究的需要不斷變化,分析其發展歷程和趨勢,可得以下結論。

1)艦面流場的海上實測由于其耗資大、周期長,應用正逐漸減少,但其可為仿真計算數據的對比提供重要參考依據,具有不可替代的作用,因此隨數據采集和處理技術的進步,該方法還將進一步得到應用。

2)艦面流場的CFD仿真隨更高精度湍流模型和求解方法的出現得到了更廣泛的應用,DES方法由于其自身的優勢提高了大范圍分離渦仿真的精度,將在艦面外流場計算方面發揮更多的作用。

3)機艦動態配合實時仿真對艦面流場計算耗時提出了很高的要求,使得流場求解在滿足精度要求的前提下更加關注計算效率,同時差值方法的應用也是一種可行的思路。

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Review on Shipboard Flow Study for Dynamic Interface of Helicopter and Ship

MA Hong-ru,SUN Wen-sheng,MU Zhi-tao,LI Xu-dong
(Naval Aeronautical Engineering Academy Qingdao Campus,Qingdao 266041,China)

To study the main factor restraining the dynamic interface performance of helicopter and ship-an unsteady flow field formed on the helicopter carrier by sea breeze,special structure of the ship and ship movement.Based on the feature of dynamic interface test of helicopter and ship in early stage,the methods of shipboard flow measurement as well as its development were analyzed.As for the CFD technique-usually used in flow simulation,its development and status were discussed.The advantage of DES,a new method of CFD,in handling Large-separation external flow was introduced and its bright perspective in simulation of shipboard flow was pointed out.

helicopter;dynamic interface;shipboard flow;DES

MU Zhi-tao(1963—),Male,Ph.D.,Professor,Research focus:corrosion fatigue and fatigue life evaluation of materials.

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.015

V212.4

:A

1672-9242(2014)05-0075-06

2014-06-05;

2014-07-17

Received:2014-06-05;Revised:2014-07-17

馬鴻儒(1988—),男,河北人,博士研究生,主要研究方向為海洋環境與飛行器性能研究。

Biography:MA Hong-ru(1988—),Male,from Hebei,Doctorial student,Research focus:ocean environment&aircraft performance.

穆志韜(1963—),男,博士,教授,主要研究方向為材料腐蝕疲勞及壽命評估。