航母甲板風對艦載機進艦軌跡流場影響分析

賁亮亮，魏小輝，劉成龍，浦志明，尹喬之

(南京航空航天大學飛行器先進設計技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著時代的發(fā)展，航母的重要性日益凸顯，艦載機作為航母的主要攻擊武器，其重要性不言而喻。然而艦載機的著艦環(huán)境惡劣，尤其是艦船的艦尾流場對飛機著艦影響很大，是困擾艦載機安全著艦的關鍵因素之一。

目前，不少研究者對艦尾流場進行計算研究。耿建中等認為雄雞尾流是艦尾流的主要組成部分［1］;彭兢等在Matlab環(huán)境中模擬了艦尾流的速度空間分布［2］;陸超等利用縮比模型對艦面空氣流場進行了CFD數(shù)值模擬，并得出在定常條件下利用縮比模型對艦船艦面空氣流場的CFD數(shù)值模擬計算可不考慮相似準數(shù)的影響［3］;Shawn H.Woodson等利用CFD技術及風洞實驗2個方面介紹了直升機在驅逐艦上的運作［4］;Susan Polsky等則利用CFD技術及實驗數(shù)據(jù)分析比較了驅逐艦降落甲板附近的氣流特性［5］。

本文基于Ansys軟件，對“尼米茲”級航空母艦的艦尾氣流進行仿真計算，并對不同風速和風向角下艦載機進艦軌跡上的流場特性進行分析。

1 建立流場仿真分析模型

1.1 選取參考模型

選取的參考模型是美國“尼米茲”級航空母艦的三維簡化模型。建立的“尼米茲”級航空母艦水線以上簡化三維模型如圖1所示。模型以艦尾方向為x軸方向，以航母右舷方向為y軸方向，以垂直于艦面向上為z軸方向。

圖1 “尼米茲”級航空母艦水面線上簡化三維模型Fig.1 Simplified 3D model of the nimitz-class carriers on the water

1.2 流場仿真網(wǎng)格劃分

基于Ansys軟件采用結構化網(wǎng)格對整個流場分析區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。遠場取10倍航母特征長度。本算例網(wǎng)格數(shù)量170萬，如圖2所示。

圖2 本算例的網(wǎng)格示意圖Fig.2 Diagram of the mesh in this example

2 艦載機的進艦軌跡

建立的航母模型斜角甲板角度為10°，長240 m，寬22 m，理想著艦時艦載機是以沿斜角甲板方向并與水平面成4°的夾角飛行，成功著艦時尾鉤勾住第2根攔阻索 (本文不考慮艦面的運動，設定艦面為水平)。進艦軌跡以理想著艦點 (第2根和第3根攔阻索中心位置)為原點，沿著斜角甲板中心線與艦面成4°角向后延伸至800 m處［6］，如圖3所示。

圖3 艦載機理想進艦軌跡示意圖Fig.3 Diagram of the ideal landing trajectory of carrier-based aircraft

3 數(shù)值模擬計算及結果分析

3.1 流場的邊界條件設定

“尼米茲”級航母航速一般為30 kn(約合15 m/s)，加之海面的風力一般在0～25 m/s范圍內，所以甲板風初步認定在0～40 m/s范圍之內。由于速度數(shù)值較小，因此在Fluent軟件中采用基于密度的SIMPLE算法，入流面采用速度入口，出流面采用壓力出口。海面設置為滑移壁面，湍流模型采用S－A湍流模型［7］。

3.2 計算結果分析

為具體分析不同風速和風向角下艦載機進艦軌跡上的流場特性，本文分別從相同風向角不同風速和相同風速不同風向角2個方面進行分析。

3.2.1 相同風向角不同風速下的結果分析

由于甲板風的范圍在0～40 m/s范圍內，本文采用以下4種工況進行對比分析:

1)甲板風為7 m/s，風向角為0°;

2)甲板風為15 m/s，風向角為0°;

3)甲板風為25 m/s，風向角為0°;

4)甲板風為40 m/s，風向角為0°。

對進艦軌跡上的氣流場進行取值，并沿著著艦軌跡繪制垂向(z軸方向)和側向(y軸方向)的速度曲線圖，結果如圖4所示。

表1 在0°風向角不同風速下進艦軌跡上的最大及最小垂向速度Tab.1 Maximum and minimum vertical velocity of the ideal landing trajectory with different wind speed under 0°wind angle

圖4為理想進艦軌跡上0°風向角不同風速下垂向及側向速度分布。表1列出了0°風向角不同風速下進艦軌跡上最大及最小垂向速度。

從圖4(a)中可以看出，在不同的甲板風速下，垂向速度走勢基本一致，氣流在進艦軌跡末尾階段有明顯的下洗現(xiàn)象，這是由于艦尾空氣稀薄，氣流在流經艦尾平坦尾突后，向下進行補充形成的;從圖4(b)中可以看出，當甲板風為7 m/s和15 m/s時，側向速度走向一致，且變化幅度較小;而當甲板風達到25 m/s和40 m/s時，側向速度變化明顯，且甲板風越大，變化越劇烈，系因氣流在艦尾拖出的漩渦造成。

從表1和圖4可以得出以下結論:

圖4 理想著艦軌跡上0°風向角不同甲板風速下進艦軌跡上的垂向、側向速度分布Fig.4 Velocity profile of the ideal landing trajectory with different wind speed under 0°wind angle

1)進艦軌跡上，垂向速度走勢基本一致，但峰值隨著甲板風的增加而增大，當甲板風速達到25 m/s時，峰值變化減弱。

2)由于垂向速度在進艦軌跡末尾階段急劇下降，因此艦載機在進艦末尾階段應注意增大迎角，防止撞艦。

3.2.2 相同風速不同風向角下的結果分析

為具體分析風向角的變化對進艦軌跡上氣流場的影響，本文選定以下4種工況進行對比分析:

1)風向角為0°，甲板風為15 m/s;

2)風向角為15°(以沿x軸方向逆時針為正)，甲板風為15 m/s;

3)風向角為30°，甲板風為15 m/s;

4)風向角為60°，甲板風為15 m/s。

圖5為進艦軌跡上15 m/s來流不同風向角下的垂向、側向速度分布。表2列出了在不同風向角下著艦軌跡上最大垂向風強度和最大側向風強度。

結合圖5和表2可以看出，在不同的風向角下，垂向速度走勢相似，但峰值相差較大;在有風向角的工況下，側向速度峰值變化明顯，且隨著風向角的增大，峰值也隨之增大。

表3為艦載機在不同的進艦條件下允許的側風強度［8］。

圖5 理想著艦軌跡上15 m/s甲板風不同風向角下進艦軌跡上的垂向、側向速度分布Fig.5 Velocity profile of the ideal landing trajectory with different wind angle under 15m/s wind speed

表2 15 m/s甲板風不同風向角下進艦軌跡上最大垂向風強度和最大側向風強度Tab.2 Maximum vertical and lateral wind strength of the ideal landing trajectory with different wind angle under 15 m/s wind speed

表3 艦載機在不同的進艦條件下允許的側風強度Tab.3 Allowable lateral wind strength of carrier-based aircraft under different landing conditions

從表3可以看出，在0°風向角時，由于最大側向風強度只有0.29 m/s，飛機通過自身的航向穩(wěn)定性就能抵御側風影響，不需要駕駛員的操作;而當風向角在15°和30°的時候，側向風強度分別達到了3.81 m/s和7.81 m/s，因此在有駕駛員操縱的情況下允許著艦，但應注意強側風的影響，隨時調整偏航角，保證飛機正常著艦;而當風向角達到60°時，側向風強度達到13.9 m/s，超出了允許的側風強度，艦載機在此工況下難以安全著艦。

3.3 圖像結果分析

為了更直觀的分析不同速度和風向角下艦載機進艦軌跡上的氣流影響，本文利用Ensight的三維流線顯示功能對該艦尾區(qū)域進行顯示。

圖6為不同甲板風和風向角下的三維流場圖。

圖6 不同甲板風和風向角下的三維流場圖Fig.6 3D flow field chart with different wind speed and different wind angle

從圖6可以看出，15 m/s甲板風0°風向角時，經過航母的流線較為光順，艦尾氣流有明顯下洗跡象;而在40 m/s甲板風0°風向角時，氣流在經過航母特別是上層建筑時，流線有明顯的波動;在15 m/s甲板風30°風向角時，可以看到氣流在經過航母后在艦尾形成漩渦，艦尾氣流擾動嚴重。

4 結語

本文建立了“尼米茲”級航空母艦的艦尾氣流仿真分析模型，并進行流場仿真。分析了不同風速和風向角下艦載機進艦軌跡上的流場特性。分析表明:

1)在不同風速和風向角的情況下，艦載機進艦軌跡上垂向風走勢基本一致，在進艦軌跡末尾階段有明顯的下洗現(xiàn)象，且峰值隨著風速和風向角的增大而增大。艦載機進艦時，駕駛員應注意增大迎角，防止撞艦。

2)側向風隨著甲板風的增加而震蕩加劇，且風向角越大，側向風峰值也隨之增加。艦載機進艦時，駕駛員應協(xié)調副翼和方向舵，使飛機保持一定的側滑角和滾轉角;且由于艦載機所能抗御的最大側風風速是一定的，必須保證進艦過程中的側風強度在允許范圍內。

［1］耿建中，姚海林，張宏.艦尾流對艦載飛機下滑特性影響研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21(18):5940 －5943.GENG Jian-zhong，YAO Hai-lin，ZHANG Hong.Studies on effect of air wake on slope and landing property of carrier aircraft［J］.Journal of System Simulation，2009，21(18):5940－5943.

［2］彭兢，金長江.航空母艦尾流數(shù)值仿真研究［J］.北京航空航天大學學報，2000，26(3):340 －343.PENG Jing，JIN Chang-jiang.Research on the numerical simulation of aircraft carrier air wake［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2000，26(3):340－343.

［3］陸超，姜治芳，王濤.不同工況條件對艦船艦面空氣流場的影響［J］.艦船科學技術，2009，31(9):38 －42.LU Chao，JIANG Zhi-fang，WANG Tao.Influences of different airflow situations for ship airwake［J］.Ship of Science and Technology，2009，31(9):38 －42.

［4］SHAWN H W，TERENCE A G.A computational and experimental determination of the air flow around the landing deck of a US navy destroyer［R］.Toronto，Ontario Canada:23rd AIAA Applied Aerodynamics Conference，2005.

［5］SUSAN P，ROBIN I，RYAN C，TERENCE G.A computational and experimental determination of the air flow around the landing deck of a US navy destroyer［R］.Miami，F(xiàn)L:37th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit，2007.

［6］胡國才，王奇，劉湘一，等.艦尾流對艦載機著艦軌跡和動態(tài)響應的影響研究［J］.飛行力學，2009，27(6):18 －21.HU Guo-cai，WANG Qi，LIU Xiang-yi，et al.Influence of carrier air wake on carrier-based aircraft landing trajectory and dynamic response［J］.Flight Dynamics，2009，27(6):18－21.

［7］于勇，張俊明，姜連田.FLUENT入門與進階教程［M］.北京:北京理工大學出版社，2008:236－258.YU Yong，ZHANG Jun-ming，JIANG Lian-tian.FLUENT introductory and advanced course［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2008:236 －258.

［8］許東松，劉星宇，王立新.變化風場對艦載飛機著艦安全性影響［J］.北京航空航天大學學報，2010，36(1):78 －81.XU Dong-song，LIU Xing-yu，WAGN Li-xin.Influence of changeful wind on landing safety of carrier-based airplane［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2010，36(1):78 －81.