靜止艦船與旋翼干擾流場的數值模擬

黃 剛 程 蒙 梁仍康 張 偉

(西南科技大學土木工程與建筑學院 四川綿陽 621010)

近年來，隨著科學技術的進步和國家利益的競爭，艦載直升機在爭奪制海權方面發揮著愈加重要的作用。艦載直升機在復雜的艦船尾流場區域著艦時危險性很大。據調查統計，艦載直升機的事故概率是其他航空飛行器的數倍[1]。因此，艦載直升機的安全問題也引起了各海權大國的密切關注[2]。

氣流流過艦船上層的不規則建筑、機庫等非流線型鈍體結構時，會發生分離，產生復雜的湍流流場[3]。氣流流過機庫會產生下洗和側洗氣流；而氣流流過上層建筑物會產生非定常的渦流場。在艦船后方的直升機著艦區域內，艦船尾流場與直升機自身的非定常渦流場相互耦合干擾，則會產生“陡壁效應”[4]和“艦面效應”[5]等多種問題。受復雜且不穩定耦合流場的影響，著艦域的流場品質進一步降低，直升機各機械部件氣動力特性會發生顯著變化[6]，使得直升機操縱性及穩定性降低，從而危及其著艦安全[7-8]。

為了解決直升機著艦時遇到的安全性問題，國內外眾多學者基于計算流體動力學(CFD)方法對艦船流場和旋翼流場開展了一系列研究。

在艦船流場CFD數值仿真方面，Polsky[9]等應用MILES方法對LHA艦船流場進行了數值仿真分析，與風洞實驗數據對比良好，闡明了使用非定常方法模擬實際的艦船氣流場的重要性。2008年，Syms[10]使用Lattice-Boltzmann法分別計算了兩個SFS輕型護衛艦的氣流，得到相對準確的流場數據，驗證了該方法的可靠性。2009年，Hodge[11]等考慮了艦船甲板的運動，利用非定常、雙時間精度的CFD方法研究了驅逐艦甲板流場，表明甲板流場不穩定且導致了飛行員工作載荷的增加。2010年，Forrest[12]采用DES(分離渦算法)模型分別計算了不同風向角下T23和SFS2艦船模型的流場，仿真結果與實船測量和風洞試驗數據吻合良好。

在直升機流場CFD仿真方面，Christian[13]對某直升機模型進行了建模和CFD數值分析，使用重疊網格技術，考慮槳葉的周期變距運動，使用SSTk-ω雙方程湍流模型，模擬直升機分別在懸停和前進狀態下所得到的升力值結果與實驗數據吻合良好。Antonios等[14]采用非結構化自動體網格技術研究直升機附近的流場，計算得到旋翼和直升機機身上的壓力分布特性，與GOAHEAD項目的風洞試驗數據吻合。曹飛等[15]通過改進CFD方法研究了不同飛行狀態下復合式直升機旋翼與機身干擾的氣動力特性，表明直升機低速前飛時，旋翼對機身的干擾較強。

前述諸多研究大多都是將艦船流場與直升機旋翼的氣動特性分別展開研究，沒有考慮其相互耦合干擾作用。為保證飛行員及直升機的生命和財產安全，合理分析直升機著艦的過程中旋翼氣動力特性受耦合流場干擾的影響十分必要。2007年，Alpman等[16]和Bridge[17]等進行了艦船尾流與直升機下洗氣流的耦合影響模擬。通過PUMA2和Genhel代碼分別研究了艦船尾流場和旋翼氣動力特性。Oruc[18-20]等為研究耦合流場，采用了基于運動嵌套網格,使用二階精度Roe/TVD格式研究了直升機著艦耦合流場。2018年，宗昆[21]等采用k-ε湍流模型和動量源項方法，研究艦船尾流場對直升機著艦性能的影響。

為提高艦載直升機在復雜海況下作業的安全性，本文基于CFD方法，建立直升機旋翼與艦船的耦合計算模型，考慮旋翼與艦船之間的非定常干擾作用，開展旋翼/艦船耦合流場數值研究。

1 計算模型及方法

1.1 艦船及旋翼模型

艦船模型采用TTCP計劃中的典型護衛艦簡化模型SFS2，旋翼選用法國的海豚直升機旋翼。艦船模型SFS2示意圖如圖1所示，其船寬2.25H，船長22.75H，甲板及機庫高分別為0.75H及1H，其中H為機庫高度6.096 m。旋翼模型如圖2所示，旋翼翼型為OA209 ,其參數如表1所示。

圖1 SFS2艦船模型Fig.1 SFS2 ship model

圖2 旋翼模型Fig.2 Rotor model

表1 海豚直升機旋翼參數Table 1 Parameters of Dolphin helicopter rotor

本文對旋翼位于艦船的典型位置進行了數值計算，旋翼旋轉中心的位置如圖3所示。x軸正方向指向艦艉，y軸正方向指向上，z軸正方向根據右手定則判斷，指向艦船側面。其中x0(或z0，y2)點在甲板上的投影位于甲板中心，豎直方向高度距離甲板1.5H，坐標為(13.716,9.144,0)m。各計算點為沿x正方向取5個間距為6.858 m的點，沿z方向取間距為 3.429 m的5個點，沿y取間距為3.048 m的5個點。

圖3 艦船與旋翼位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the position of the ship and the rotor

1.2 計算域網格劃分

為了方便和節約計算艦船/旋翼干擾流場的計算資源，本文使用組合計算域。如圖4和圖5所示，即將計算域分別劃分為艦船表面附近及遠處外部的計算域和旋翼附近的計算域。采用滑移網格方法模擬旋翼的轉動，通過圓柱形interface對保證計算域間數據的連通。艦船外部的計算域為長、寬均為855 m、高600 m的長方體，旋翼附近的計算域則為半徑6 m、高1.2 m的圓柱體。

圖4 計算域Fig.4 Computational domain

圖5 計算模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of computational model

使用Fluent meshing劃分艦面非結構網格時(圖6和圖7)，適當將尖銳幾何處切角，以增加網格質量。采用八叉樹網格方法對計算域進行網格劃分，槳葉表面采用多面體網格，艦船表面以及海平面采用棱柱層網格方法劃分了邊界層。對旋翼尾流區進行了適當的網格加密以便更好地捕捉流場結構(圖8)，總網格數量約為1 120萬。

圖7 艦船切面網格Fig.7 Grid on ship surface

圖8 旋翼表面網格Fig.8 Grid on rotor surface

1.3 邊界條件及計算設置

SFS2艦船表面、OA-209槳葉表面以及長方體計算域的底面(即海面)均定義為無滑移固體壁面，長方體計算域的四周面及頂面均定義為壓力出口(pressure-oulet)邊界條件。

假設艦船靜止且在無來流的條件下，利用Fluent軟件，使用瞬態壓力基算法、k-ωRealizable湍流模型、MUSCL高階低耗散離散格式模擬高速旋轉流下的流場。

2 結果分析

2.1 直升機旋翼于x方向進入甲板

圖9和圖10分別給出了旋翼從x方向著艦的過程中旋翼中心位于不同位置處的yz剖面的壓力和速度云圖。從圖中可以看出，從x4點到x2點，在旋翼以平飛方式逐漸靠近艦船甲板上空的過程中，越靠近艦船，則船尾壁面對旋翼尾流結構的阻擋干擾影響就越大；從x3點到x2點，旋翼正式進入甲板上空，在艦船內側的翼緣大渦結構有所改善，但其受到機庫門壁面干擾的影響開始顯現；從x2點到x0點，旋翼槳盤將完全進入甲板區域，甲板與旋翼間艦面效應增加至最大，機庫門壁面將干擾旋翼尾流結構形態，并對耦合流場產生主導影響。從圖10可以看出，旋翼在甲板或海面上空區域懸停時的流場結構，機庫門對旋翼尾流的影響隨旋翼的接近而愈發明顯。受機庫門壁面的阻擋干擾，旋翼尾跡回流結構區域被壓縮且逐漸減小，此時核心回流結構將增加旋翼槳盤入流速度，從而導致旋翼拉力受到損失(見下文圖16)。

圖9 旋翼從x方向進入甲板的各位置的壓力圖Fig.9 Pressure diagram of the rotor at various positions entering the deck from the x direction

圖10 旋翼中心從x方向進入甲板時的xy剖面速度圖Fig.10 Velocity diagram of the xy profile when the rotor enters the deck from the x direction

2.2 y方向進入甲板

圖11和圖12分別給出了旋翼從y方向著艦過程中旋翼中心位于不同位置的yz剖面的壓力和速度云圖，圖13給出了不同位置的xy剖面的速度圖。從圖中可以看出，旋翼在豎直下降的過程中，流場結構受到艦船甲板面和庫門壁面的影響愈發嚴重，導致旋翼下方的大回流區逐漸壓縮，整個下降過程流場變化劇烈，旋翼受干擾多且大。從下文的圖14(b)也能看出其氣動力特性不平穩。

圖11 旋翼從y方向進入甲板的各位置的壓力圖Fig.11 Pressure diagram of the rotorat various positions entering the deck from the y direction

圖12 旋翼從y方向進入甲板的各位置的速度圖Fig.12 Velocity diagram of the rotorat various positions entering the deck from the y direction

圖13 旋翼從y方向進入甲板的各位置的xy剖面速度圖Fig.13 Velocity diagram of the xy profile when the rotor enters the deck from the y direction

2.3 z方向進入甲板

圖14給出了旋翼從z方向著艦過程中不同位置處的yz剖面的壓力云圖，圖15給出了不同位置處的yz剖面的速度圖。從圖中可以看出，從z4點到z0位置，即旋翼從艦船側向進場，其右側的翼緣大回流結構在靠近船的過程受到較大干擾，在z3點時被壓縮最嚴重，往后旋翼靠近中心位置，右側回流區逐漸遠離甲板后有所恢復。

圖14 旋翼從z方向進入甲板的各位置的壓力圖Fig.14 Pressure diagram of the rotorat various positions entering the deck from the z direction

圖15 旋翼中心從z方向進入甲板時的yz剖面的速度圖Fig.15 Velocity magnitude diagram of the yz section when the rotor enters the deck from the z direction

2.4 氣動力分析

旋翼氣動力特性對于直升機和飛行員有著至關重要的影響。無量綱化的拉力系數定義為：

(1)

式中：T為旋翼拉力；ρ為空氣密度；VT為槳葉的槳尖速度；R為旋翼旋轉半徑；S為旋翼的旋轉面積。

圖16分別給出了從x，y和z方向著艦，旋翼中心處于不同位置的拉力系數圖。從圖16可以看出，旋翼以不同方式著艦時，壁面效應與陡壁效應相互干擾，導致艦船/旋翼耦合流場結構復雜，旋翼氣動性能隨著艦位置不同而發生改變。 旋翼從x和z向水平著艦時，其拉力系數變化趨勢總體較為相似。總的來看，第一個特征是在旋翼水平飛入甲板過程中拉力系數顯著增加。這是因為旋翼在甲板上的豎向投影面積增加，甲板與旋翼之間的艦面效應相應增強，從而增加了旋翼的拉力性能。第二個特征則是旋翼臨近機庫門的壁面時拉力系數有著明顯的下降趨勢，這可能是由于旋翼下洗氣流受到了機庫門壁面的阻擋，在翼緣外形成較強的回流結構，導致靠近庫門一側旋翼槳盤面下洗流速增大。直升機y向的豎直進場著艦，則可以看到受到艦面效應影響，旋翼拉力系數在著艦時隨高度降低而持續增加。由以上分析可以看出不論是豎直著艦還是水平著艦，甲板中心及其附近的點位拉力損失較小，適宜直升機起降。

圖16 各方向拉力系數趨勢圖Fig.16 Trend graphs of thrust coefficient in all directions

3 結論

本文研究了旋翼以不同方式著艦過程中旋翼中心位于各方向不同點位下的氣動特性及艦船/旋翼的耦合干擾流場特征，得出如下結論：(1)在旋翼與艦船之間的艦面效應與陡壁效應綜合干擾影響下，艦船/旋翼耦合流場特性結構復雜，旋翼氣動力特性因著艦位置的不同而有著顯著變化。(2)在整個旋翼除了豎直著艦的路徑中，在翼尖的外圍位置，旋翼尾流會形成大回流結構。當旋翼中心位于甲板中心、高至機庫門中心位置(即y0點)，槳盤距離甲板最近，地面效應影響最大，旋翼的拉力性能最強。(3)旋翼從海面上空水平飛入甲板空域過程中，旋翼與甲板間的艦面效應相應增強，其影響占主導地位，導致了拉力系數明顯增加。(4)在甲板上空中心位置，旋翼拉力性能損失較為嚴重，推測旋翼接近機庫門壁面，受其阻擋，陡壁效應的干擾占主導，迫使旋翼翼緣外圍的主回流結構接近旋翼槳面，造成旋翼下洗流速增加，以致拉力性能降低。