艦船尾部結構對直升機操作區流場的影響

王金玲，郜 冶

(哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，哈爾濱 150001)

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艦船尾部結構對直升機操作區流場的影響

王金玲，郜 冶

(哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，哈爾濱 150001)

為研究艦船尾部結構對流場環境的影響，以典型護衛艦簡化模型SFS1為對象，選用通用軟件ANSYS ICEM劃分結構化網格并用ANSYS FLUENT標準k-ε湍流模型模擬了機庫門開閉不同狀態、不同機庫高度及不同飛行甲板長度等特征結構的變化對直升機操作區氣流場的影響.通過分析流場中的速度、壓力等物理量，對比了不同工況下的流場環境.對比結果顯示，機庫高度越低、飛行甲板長度越長艦載機操作區的流場環境越好，機庫門半開時流場環境較機庫門關閉和全開狀態時差，但是機庫門關閉和全開兩種狀態相比沒有明顯的優劣之分.這可為在役艦船的改造和再建艦船的優化設計提供理論依據和數據支持，進而有效改善艦載機起降時的流場環境，提高海軍指揮直升機進行安全著艦的能力.

空氣流場；艦船結構；數值模擬；護衛艦；湍流模型

隨著海洋事業的發展和現代海戰向立體化、大縱深、多層次方向的發展，各國海軍迫切需要掌握海上制空權，維護海洋權益，保障領海安全[1].艦載機是以航空母艦或其他軍艦為基地的海軍飛機，可以擔負海上兩棲突擊、反潛反艦、空中預警、偵察救護、巡邏護航以及中繼制導、垂直補給、電子戰、反水雷等任務.它是海軍航空兵的主要作戰手段之一，其大大加強了艦船海上作業和作戰能力，目前已成為世界各國海洋事業和艦船現代化的重要標志[2-3].但是，艦船不同于陸地，除了總體尺度小以外，它還要隨風浪進行不規則的搖擺運動，加之艦面建筑物一般屬于非流線型，這會對飛行甲板附近區域的氣流產生強烈擾動，形成復雜的空氣流場，嚴重影響艦載機在艦上的起降安全[4].艦船空氣流場是艦載機在艦船上起降時的主要環境條件，也是危及飛行安全的主要因素之一，另外在艦船設計領域，艦船空氣流場的特性已經成為艦船設計優化工作中必須考慮的問題，因此研究艦船空氣流場有重要的意義.

2001年美國的Tai[5]通過在典型護衛艦簡化模型SFS1的船首增加半圓柱體過渡段的方法避免了船體兩側的流動分離現象；2005年，Jeremy等[6]以CVN-76為研究對象劃分非結構化網格并用CRUNCH CFD?求解器進行了時間精確的數值模擬，研究了艦船島型建筑復雜程度及邊界層對艦面流場的影響；同年Shafer[7]用風洞實驗方法研究了艦船機庫頂部加裝的不同流動控制裝置對飛行甲板位置處流場的改善程度，并得出網狀泡沫改善效果最佳的結論.美國海軍軍官學校(USNA)的Snyder等[8-12]從2010年開始展開艦船空氣尾流的調查研究工作，他們利用Cobalt中的MILES模型模擬了美國海軍巡邏艦YP676艦船在不同風向角下的流場，并發現加載流動控制裝置鋸齒擋板后，尾流對直升機旋翼的影響有所減小，這些計算結果都經過了實船測量或者風洞實驗的驗證，證明CFD在研究艦船空氣尾流對旋翼直升機的影響中是非常有用的工具.在國內，2007年趙維義等[4]利用PIV測量了某型艦船不同工況下的空氣流場并分析了下沖氣流、渦流區及開/關機庫門等對直升機著艦的影響；2009年姜治芳等[13-14]將LHA的直通甲板改為滑躍式甲板，并對比了兩種甲板形式下艦面流場的優劣，同時比較了上層建筑位置、大小及其邊緣直角或圓弧過渡等不同形式及布局下艦面流場的特點.本文以典型護衛艦簡化模型SFS1為對象，采用數值模擬的方法研究其不同機庫門狀態、不同機庫高度及不同飛行甲板長度等特征結構對直升機操作區氣流場的影響.

1 物理模型與數學描述

1.1 物理模型

不同艦船搭載不同直升機時，直升機的操作區域有所不同，本文以典型護衛艦簡化模型SFS1(圖1)搭載Westland Lynx直升機(圖2)為例進行研究，Westland Lynx直升機旋翼直徑為12.8 m，機高2.964 m.坐標原點位于船首底部中心位置，計算區域x軸表示船長方向，由船頭指向船尾為正方向，y軸表示船寬方向，由左舷指向右舷為正方向，z軸表示船高方向，由下方指向上方為正方向.計算區域邊界距船首和船尾均為10倍船長，距船兩舷均為30倍船寬，距船頂部為10倍船高.直升機理想著艦點O距離船尾10 m，著艦瞬間旋翼距離飛行甲板的高度為2.964 m.本文選取機庫門關閉、半開和全開3種不同狀態、3種機庫高度H、3種飛行甲板長度L等共9種工況研究來流風速U0=20 m/s，風向角為0°時，艦船尾部結構的改變對直升機操作區流場的影響.

1.2 數學模型

艦船周圍的流場屬于三維復雜湍流場，為簡化計算設空氣為不可壓縮流體且符合Boussines假設，流動為穩態紊流，忽略固體壁面間的熱輻射.采用標準k-ε兩方程模型對氣流場進行數值模擬.建立流場穩定后的湍流控制通用方程，如[15-16]

div(ρVφ)=div(Γgradφ)+S.

式中:div(ρVφ)為對流項；div(Γgradφ)為擴散頂；S為源項.控制方程包括連續方程、動量方程、能量方程、k方程和ε方程.其中湍流動能k和耗散率ε的輸運方程分別為

圖1 SFS1仿真計算模型

圖2 Westland Lynx直升機

2 網格劃分及邊界條件

2.1 網格劃分

典型護衛艦簡化模型SFS1結構簡單，使用如圖3中所示的全結構化網格，為驗證網格無關性，劃分3種不同數量的網格進行對比分析，3種網格數量分別為：8.32×106，1.14×107，1.43×107.船體中縱線上壓力系數計算結果如圖4中所示.計算結果顯示隨網格數量的增加，船體中縱線上壓力系數計算結果變化不大且均與風洞試驗結果吻合較好.為保證計算精度并節約計算時間，選取中等數量網格進行進一步的計算研究.

圖3 網格分布

圖4 3種網格數量下中縱線上壓力系數與風洞實驗結果比對

Fig.4ComparisonofCFDandexperimentalCPforcenterlineofSFS1

2.2 邊界條件

數值計算中入口為速度入口，風速為20 m/s，風向角為0°，出口設為壓力出口，計算區域左右和上邊界設定為壓力入口(自由邊界)，艦船表面及海平面設為壁面.基于自由來流速度并以艦船寬度為特征長度的Re為1.83×107.

3 數值計算與結果分析

如圖5中所示，氣流流過艦船表面后形成復雜的艦面流場，在機庫后方的飛行甲板位置產生渦流區及下洗氣流.理論分析和飛行實踐表明，尾流場中的下洗氣流和渦流區對直升機的影響最大，一方面渦流區內速度方向的改變會對直升機的平衡及操穩性能產生影響；另一方面，渦流區內的低壓會對直升機產生吸力使其前沖，負壓較大時可能致使旋翼撞擊到機庫門，嚴重威脅直升機的安全；下洗氣流作用于旋翼會引起直升機明顯的“前沖”和“上鼓”[4].本文主要從渦流區的大小、垂向速度大小及壓力分布等方面進行對比分析.

3.1 機庫門開閉對直升機操作區流場的影響

為研究機庫門開閉對直升機操作區流場的影響，現設置3種不同的機庫門狀態進行研究：機庫門關閉、機庫門半開、機庫門全開.

如圖6、8、10所示隨機庫門打開程度的增大，飛行甲板位置處上洗氣流的范圍及強度明顯減弱，下洗氣流的范圍增大但強度減小；圖12(經過理想著艦點的直線上量綱一的垂向速度的分布)顯示機庫門關閉和全開兩種狀態下經過理想著艦點直線上的下洗速度沒有變化，但機庫門半開狀態時下洗速度增大，在1.1、2.1倍機庫高度處下洗速度增加幅度較大，與機庫門關閉和全開兩種狀態相比，下洗速度值分別增加7%和3%；圖7、9、11顯示機庫門開閉不同狀態對旋翼高度平面內水平切向氣流的影響只局限在機庫門后方約2 m長的范圍內，隨機庫門打開程度增大此區域內切向氣流的范圍及強度明顯減弱，機庫門全開時，機庫后方的2 m/s等值線消失，旋翼位置處的切向氣流不受機庫門開閉的影響.

圖5 機庫后方飛行甲板位置的渦流區

圖6 機庫門關閉時中縱面垂向速度分布

Fig.6z-component velocity contours at the ship center in closed hangar door condition

圖7 機庫關閉時旋翼平面切向速度分布

Fig.7y-component velocity contours at the rotor plane in closed hangar door condition

機庫門3種狀態下艦船中縱面上壓力分布分別如圖13、15、17所示，機庫門打開后，受機庫內部低壓的抽吸作用，氣流流入機庫進一步形成渦流區，尤其是機庫門半開(圖15)時，受機庫門的阻擋作用，機庫內部的渦流區與飛行甲板處的渦流區發生分離，形成兩個方向相反的渦，機庫內的渦流充滿整個機庫.機庫內的低壓會對在飛行甲板位置進行作業的直升機產生附加的吸力，使直升機前沖幅度增大，這將嚴重影響直升機的安全.

Fig.8z-component velocity contours at the ship center in half open hangar door condition

圖9 機庫半開時旋翼平面切向速度分布

Fig.9y-component velocity contours at the rotor plane in half open hangar door condition

圖10 機庫門全開時中縱面垂向速度分布

Fig.10z-component velocity contours at the ship center in open hangar door condition

圖11 機庫全開時旋翼平面切向速度分布

Fig.11y-component velocity contours at the rotor plane in open hangar door condition

機庫門3種狀態下艦船中縱面上流線分布分別如圖14、16、18所示.與機庫門關閉狀態相比，機庫門全開(圖18)時，受機庫內低壓影響渦流區向機庫內移動，使旋翼接觸到的渦流區減小；同時可減弱旋翼誘導速度形成的返流，這有助于提高直升機的操穩性能；另外，機庫門打開后會給飛行員一種空間增加的感覺，增強其心理上的安全性.但機庫門半開狀態時飛行甲板位置的渦流區并沒有向機庫內部移動，且旋翼誘導速度仍會在機庫門位置形成較強烈的返流，因此3種狀態中機庫門半開狀態時飛行甲板處的流場環境最差.但關閉和全開兩種狀態下的流場環境相比，各有利弊，僅從目前的計算結果中很難得出結論，可能需要結合大量飛行實驗及飛行員的經驗做進一步的研究.

圖12 不同機庫門狀態時經過理想著艦點的直線上量綱一的垂向速度的分布

Fig.12 Dimensionless z-component velocity on the line passing ITDP in different hangar door conditions

圖13 機庫門關閉時中縱面壓力分布

Fig.13 Pressure contours at the ship center in closed hangar door condition

圖14 機庫門關閉時中縱面流線分布

Fig.14 Streamlines at the ship center in closed hangar door condition

3.2 機庫高度對直升機操作區流場的影響

為研究機庫高度對直升機操作區流場的影響，現設置3種不同的機庫高度進行研究：原機庫高度、機庫高度降低5%、降低10%.如圖19、21、23所示隨機庫高度降低垂向氣流的影響范圍逐漸減小，0 m/s速度等值線高度逐漸降低，機庫高度降低10%時，4 m/s的上洗速度等值線及2 m/s的下洗速度等值線均已消失.因為機庫后方的渦流區高度及長度主要由機庫高度決定，故隨機庫高度的降低，渦流區的高度和長度均有所減小(如圖20、22、24所示)；經過理想著艦點的垂向直線上量綱一的下洗速度的計算結果如圖25中所示，隨機庫高度的降低，下洗速度值逐漸減小，且速度改變較大的位置為1.1倍機庫高度及2.1倍機庫高度處，相比與原機庫高度計算結果，機庫高度降低5%后在這兩個位置處下洗速度值均降低4%；機庫高度降低10%后在這兩個位置處下洗速度值分別降低8%、7%.可見機庫高度降低可以減小渦流區的高度及長度，并有效改善直升機操作區的垂向氣流.

圖15 機庫門半開時中縱面壓力分布

Fig.15 Pressure contours at the ship center in half open hangar door condition

圖16 機庫門半開時中縱面流線分布

Fig.16 Streamlines at the ship center in half open hangar door condition

圖17 機庫門全開時中縱面壓力分布

Fig.17 Pressure contours at the ship center in open hangar door condition

3.3 飛行甲板長度對直升機操作區流場的影響

為研究飛行甲板長度對直升機操作區流場的影響，現設置3種不同的飛行甲板長度進行研究：原飛行甲板長度、飛行甲板加長10%、加長20%.

圖18 機庫門全開時中縱面流線分布

Fig.18 Streamlines at the ship center in open hangar door condition

圖19 原機庫高度時中縱面垂向速度分布

Fig.19z-component velocity contours at the ship center in original hangar height

圖20 原機庫高度時中縱面流線分布

圖21 機庫高度降低5%時中縱面垂向速度分布

Fig.21z-component velocity contours at the ship center in hangar height cut-off 5%

圖22 機庫高度降低5%時中縱面流線分布

艦船中縱面上垂向速度如圖26、28、30所示，流線分布如圖27、29、31所示，因為渦流區的長度主要有其前方障礙物的高度決定的，故隨飛行甲板長度的增加，垂向速度和渦流區的大小基本沒有變化.但因已經假設理想著艦點距船尾的距離為固定值，所以隨著飛行甲板長度的增加，旋翼的位置向后移動，其離渦流區越來越遠，受到的干擾也越來越小.圖32中不同飛行甲板長度時經過理想著艦點的直線上量綱一的垂向速度分布顯示，隨飛行甲板長度的增加理想著艦點上方的下洗速度逐漸減小，且速度改變較大的位置為1.1倍及2.1倍機庫高度處，相比于原飛行甲板長度計算結果，飛行甲板加長10%后在這兩個位置處下洗速度值分別降低4%、5%；飛行甲板加長20%后在這兩個位置處下洗速度值分別降低20%、10%.可見飛行甲板加長可以使旋翼遠離渦流區的影響，降低理想著艦點上方的下洗速度.

圖23 機庫高度降低10%時中縱面垂向速度分布

Fig.23z-component velocity contours at the ship center in hangar height cut-off 10%

圖24 機庫高度降低10%時中縱面流線分布

圖25 不同機庫高度時經過理想著艦點的直線上量綱一的垂向速度的分布

Fig.25 Dimensionless z-component velocity on the line passing ITDP in different hangar heights

圖26 原飛行甲板長度時中縱面垂向速度分布

Fig.26z-component velocity contours at the ship center in original flight deck length

圖27 原飛行甲板長度時中縱面流線分布

Fig.27 Streamlines at the rotor plane in original flight deck length

圖28 飛行甲板加長10%時中縱面垂向速度分布

Fig.28z-component velocity contours at the ship center in flight deck length with more 10%

圖29 飛行甲板加長10%時中縱面流線分布

Fig.29 Streamlines at the rotor plane in flight deck length with more 10%

圖30 飛行甲板加長20%時中縱面垂向速度分布

Fig.30z-component velocity contours at the ship center in flight deck length with more 20%

圖31 飛行甲板加長20%時中縱面流線分布

Fig.31 Streamlines at the rotor plane in flight deck length with more 20%

圖32 不同飛行甲板長度時經過理想著艦點的直線上量綱一的垂向速度的分布

Fig.32 Dimensionlessz-component velocity on the line passing ITDP in different flight deck lengths

4 結 論

1)改變艦船尾部結構時，理想著艦點上方下洗速度改變最大的位置均相同，即流場前方障礙物高度位置處.

2)機庫高度越低，飛行甲板長度越長，直升機操作區的流場環境越好.

3)機庫門半開時其流場環境較機庫門關閉和全開時都差，但關閉和全開兩種狀態時理想著艦點上方的下洗氣流分布基本相同，且流場環境各有利弊.

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(編輯 張 紅)

The influence of ship tail structure to airwake on helicopter operation area

WANG Jinling, GAO Ye

(College of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In order to study the influence of ship tail structure on the airwake, the simple frigate shape SFS1 has been chosen for this study and the numerical simulation of ship airwakes has been performed． The ANSYS FLUENT standard turbulence model is used on the structured grids generated by ANSYS ICEM. The influences of the closing/opening state of the hangar, the hangar height and the flight deck length were simulated． The ship airwakes in different conditions were compared by analysing the physical parameters such as the velocity and pressure. It is shown that: the flow field environment will become better when the hangar height becomes lower and the flight deck beomes longer； the airwake becomes worse when the door is ajar than that when the door is closed or open; while neither airwake is superior when the door of hangar is closed or open completely. The present work will provide theory and data support for the modification of ship in service and the improvement of ship in construction，which will improve the ship airwake for shipboard aircrafts, and the capability to command and control the launch and recovery of shipboard aircraft.

airwake; ship structure; numerical simulation; frigate; turbulence model

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.10.022

2015-03-16

國家自然科學基金 (11372079)

王金玲(1988—)，女，博士;

郜 冶(1953—)，男，教授，博士生導師

王金玲，wangjinling07@163.com

U674.74

A

0367-6234(2016)10-0148-07