应用于直升机/舰动态配合的 舰面流场建模仿真关键技术

直升机/舰动态配合是舰载直升机飞行安全的重要课题。首先,对动态配合过程中涉及的因素进行了分析和讨论,得出对旋翼尾流场和舰面流场耦合求解的简化方案;然后,以某舰和直升机为例,对其舰面流场仿真关键技术进行了描述,主要内容包括舰面流场的CFD仿真、针对动态配合对舰尾流进行重构等,并对典型的直升机起降轨迹进行了描述;最后,通过有关直升机/舰动态配合流场计算仿真的途径和方法得出了若干结论,可为该领域研究者提供参考。     

基于直升机舰面起降动态仿真的风限图计算

建立了基于直升机舰面起降动态仿真的风限图（WOD）计算方法,综合计入舰船尾流、直升机运动和驾驶员操控等多因素的作用提升风限图计算的准确度。基于耦合舰船非定常尾流的飞行动力学模型,发展了适于直升机多轴协同操控的驾驶员模型,建立了舰面起降轨迹的数学描述和生成方法,形成计入舰船尾流、直升机运动和驾驶员操控等多因素综合作用的直升机舰面起降动态仿真方法。在此基础上,总结风限图计算判据,建立风限图计算方法。计算结果表明,某些风况下直升机在舰面起飞和降落过程中受到舰船尾流的干扰远大于在甲板上方悬停时受到的作用。本文方法能够捕捉到不同起降点和起降方式导致舰船尾流时空变化的干扰,与传统计算方法相比,显著提升了风限图计算的准确度。     

共轴式直升机舰面起降风限图计算

通过建立共轴双旋翼直升机的舰面起降飞行动力学模型,计算了某型共轴双旋翼直升机在某型舰上的起降特性。根据相关判据,得出该机舰组合的起降风限图。起降风限图为该直升机在舰上的安全起降提供了指导,有重要的实际意义。     

斜风来流下纵摇运动对机-舰耦合流场的影响

机-舰耦合流场是一个复杂紊乱的非定常流场，舰船的六自由度摇摆运动会进一步恶化飞行甲板上方的流场环境。为了探究舰船的摇摆运动对飞行甲板上方机-舰耦合流场的影响，基于简化护卫舰SFS2和旋翼的耦合模型，对两种斜风状态下、纵摇运动中的机-舰耦合流场进行了数值模拟，分析了纵摇运动对机-舰耦合流场结构和旋翼拉力的影响，对比了两种斜风状态下的流场差异。研究结果表明：随着舰船的纵摇运动，机库后方形成的不稳定混合涡结构和垂向气流会对旋翼气动力造成明显的影响，旋翼拉力出现了近似周期性的变化，与纵摇运动的周期一致，但各观测点处的速度分量均未出现周期性的变化；旋翼拉力在甲板上浮至水平位置附近时最大，在甲板下沉至水平位置附近时最小，对于左舷和右舷来流，拉力分别降低了约13%和6%，因此飞行员要认识到纵摇运动带来的拉力损失，确保直升机具有足够的操纵量，以便能及时调整总距来保证直升机在该状况下的起降安全性。     

某型登陆舰的舰面流场仿真与分析

舰载直升机是登陆舰实现"垂直登陆"的主要武器,研究舰面流场特性对直升机安全性能与操纵性都有重要意义。建立了某型登陆舰的三维模型,以风向角为30°,风速为15m/s的流场为例,通过数值仿真得到了飞行甲板上方的气流分布,经分析机库陡壁效应引起的下冲气流分量在机库后方形成了涡流区,在直升机的起降过程中应避免通过该涡流区,以保障直升机的安全起降、平稳飞行。     

舰载直升机-舰船耦合流场数值计算研究综述

舰载直升机舰面起降是海上舰载直升机最危险的作业之一，而舰船表面的复杂气流干扰是造成该问题的主要因素之一。本文从孤立舰船舰面流场主要特征分析出发，分别总结了航空母舰与非航空母舰类舰船的主要流动特征，以及舰载直升机-舰船耦合流场的主要流动特征。在此基础上，根据舰船表面流场计算采用的数值方法分类，从无黏流场到黏性流场计算、从定常数值计算到非定常数值计算，系统介绍了国内外的发展情况与主要研究工作。对舰载直升机-舰船耦合流场数值研究，根据采用的模型与耦合方法分类，从动量盘简化耦合模型到完整直升机模型、从单向耦合到双向耦合，介绍了国外的发展历程及主要相关工作。期望舰面流场以及机-舰耦合流场数值计算主要方法的探讨，能为后期机-舰耦合流场研究及机-舰适配性研究提供参考。     

舰船甲板气流场对人员作业安全性影响分析

舰船海上航行时，甲板上的直升机旋翼尾流和舰面流场相互掺混形成了复杂的流场，这不仅会影响直升机的安全起降，同时也会对甲板作业人员的安全性造成影响。本文首先开展了流场中的人体模型数值模拟，分析了不同风速下的人体受力情况，提出了影响人员作业安全的风速范围。之后开展了西北风级、戴高乐号、伊丽莎白女王号及美国号四艘舰船的气流场仿真，依据风速范围对各舰船甲板人员安全性进行了分析，总结出作业危险区域及形成原因。在此基础上，开展了直升机进舰耦合流场计算、直升机舰面降落耦合流场计算以及舰面多机降落耦合流场计算，并对直升机进舰降落过程中甲板高速气流场以及多机降落过程中的高速气流场进行了分析，总结了甲板面人员作业危险区域。     

格子-波尔兹曼方法在舰面流场计算中的应用

舰面流场对舰载直升机的起降安全性有显著影响,针对传统CFD方法在复杂模型仿真计算的不足,提出了以格子-波尔兹曼方法应用于舰面流场研究领域的课题。从基本原理和特性上介绍了格子-波尔兹曼方法,以美国船坞运输舰LPD-17为算例进行了计算仿真,分析了舰面流场的主要特征,通过对比以前的研究得出了相关结论。数值模拟表明,舰尾附近存在复杂的涡流影响,会给飞行器的起降造成困难。同时,基于格子-波尔兹曼方法的求解程序,具有较好的并行效率和计算精度,省去了复杂网格生成中人工作业,提高前处理效率,减少了网格处理中的不确定性,提高了复杂流场的分析效率和结果的可信度。     

舰面流场下的直升机平衡特性分析

主要分析了舰载直升机在母舰甲板上方悬停时的平衡特性。采用CFD方法计算了母舰甲板上方的气流场,建立了适用于舰载环境的直升机飞行动力学模型,计算了UH-60A直升机在流场悬停位置处的配平值。在此基础上,计算了旋翼入流、载荷、功率以及机体姿态状态量的响应。仿真结果表明,舰面流场的非线性、不均匀等特点对计算值影响较大。通过与无离散模型计算结果的对比,表明了流场对直升机旋翼的垂向载荷影响较大,对机体姿态角速率的影响更为显著,破坏了直升机的平衡,对直升机在舰面流场环境下的飞行控制系统提出了更高的要求。     

舰载直升机的舰面效应研究

直升机的舰面效应影响舰载直升机的飞行安全.本文介绍了舰面效应的特点,并以直升机地面效应模型为基础,参考国外有关资料,建立了舰载直升机舰面效应模型,并讨论了舰面效应模型的求解方法.最后以某型直升机为例,计算了舰面效应对操纵性的影响.     

Numerical study on flow control of ship airwake and rotor airload during helicopter shipboard landing

A numerical study on flow control of ship airwake during shipboard landing is carried out to address the effect of flow control devices on helicopter rotor airload. The in-house Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) based solver Rotorcraft AeroDynamics and Aeroacoustics Solver (RADAS), with combination of momentum source approach is employed to conduct the helicopter shipboard landing simulation. The control effects of three aerodynamic modifications of ship superstructure, i.e. ramp, notch and flap, in different Wind-Over-Deck (WOD) conditions are discussed. From the steady simulation results, the effect of spatial variation of ship airwake on rotor airloads is concluded. The aerodynamic modifications reduce the strength of shedding vortex and increase rotor normal force through delaying and relieving flow separation, and therefore are beneficial to alleviate the limitation of control inputs. By contrast, the perturbation of unsteady ship airwake can cause the serious oscillation of rotor forces during shipboard landing. The unsteady simulations show that the turbulence intensity of ship airwake and oscillatory rotor airloading, represented by Root-Mean-Square (RMS) loading, can be remarkably reduced by the ramp and notch modifications, while the flap modification has adverse effect. It means that flow control devices have large potential benefits to alleviate the pilot’s workload and improve the shipboard landing safety, but they should be well designed to avoid the introduction of more vortex, which leads to increase in disturbance of flow field.     

动基座近舰面流场数值模拟

航母尾迹流场对舰载机的着舰有较大影响,所以需要对其流场特点进行研究,分析不同状态下舰载机气动特性的变化。采用嵌套网格技术对航母处于垂荡状态下无人机的着舰进行了模拟。首先,利用SFS2舰船进行数值计算,验证了舰船流场的数值模拟方法。然后,对比了单独无人机定常与非定常计算结果,表明所建立的嵌套网格适用于无人机流场的模拟。接着,对航母单相流和两相流的流场结果进行了分析,结果显示甲板下方的流动对甲板上方流场没有大的影响。因此,忽略了水的影响只对航母在空气流场中的特性进行研究,结果表明航母尾迹非定常特性明显,静止航母下滑轨迹上的速度均处于周期性波动状态,且波动幅值随着远离航母而逐渐衰减;而在垂荡情况下航母尾迹变得更加紊乱,水平方向速度波动的周期性减弱,但垂向速度的波动幅值进一步增大。对于静止航母,无人机在不同时刻着舰气动特性的变化也存在差异;当航母处于垂荡状态时,无人机的升力和俯仰力矩在短时间内会有更大的波动。     

典型舰艇空气尾流特性分析

舰艇空气尾流环境是影响舰载航空装备飞行安全的重要因素。借助CFD技术研究了舰艇空气尾流场内气流的运动规律、甲板上方涡流结构。应用激光片光显示系统对舰艇缩比模型的流态进行了风洞实验,并用流场实测数据对理论计算结果进行了校验。研究结果有助于指导舰艇外形优化设计和舰载航空装备的安全性分析。     

某漂浮体漂浮稳定性研究

针对某漂浮体在海上的漂浮稳定性进行了分析,研究了重心与浮心的相对位置对其漂浮稳定性的影响,并根据该漂浮体的实际参数进行了计算,得出了其可以稳定漂浮的结论。     

Wind detection in a microcosm: Ship/aircraft environment sensors

One of the most demanding aspects of a Navy helicopter pilot's job is landing his aircraft on the flight deck of a pitching, rolling, heaving and yawing ship. The complex airwake velocity field associated with the ship and aircraft interface directly affects the pilot's ability to control the aircraft during takeoff, approach, hover, landing, and deck operations. Dynamic Interface (DI) testing is performed to define safe aircraft operational envelopes; however, not all conditions can be realized within the limited test period and asset/condition availability. In addition, exact wind conditions that affect the aircraft cannot be measured with existing wind sensors. These sensors measure wind in the ship's mast area which does not represent the wind flow field encountered by the aircraft. A means of non-intrusively measuring the appropriate wind data is required. This paper presents an overview of the unique aspects of the ship/aircraft interface, the overall naval DI environment and the sensor requirements for measuring this complex environment     

基于POD方法的跨声速轴流压气机转子叶顶间隙流场分析

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 36为对象,研究了叶顶间隙流场的非定常流动特性。在数值模拟结果的基础上,采用本征正交分解(POD)方法获取POD模态和时间系数分布规律,进一步分析了近失速工况下叶顶间隙流场的流动特性。结果表明:在近失速工况下,叶顶间隙流场的主导频率为叶顶泄漏涡频率,约为0.6倍转子通过频率;能量较高的POD模态决定了叶顶泄漏涡的波动频率和幅值,低能量的高阶涡则影响流场的细微结构;同时发现,前5阶POD模态就可以很好地重构流场,这为低阶模型的应用提供了一定的理论指导。      

直升机急拉杆机动飞行仿真建模与验证

 针对直升机大机动飞行仿真,建立了一个非线性的飞行动力学模型,考虑了翼型非定常/动态失速、机动飞行引起的动态尾迹畸变、桨叶弹性变形效应和发动机动态特性。采用基于有限元分析的挥舞-摆振-扭转耦合的弹性桨叶模型,并利用一种新的数值方法将旋翼/机体耦合运动方程表示为显式形式,整个飞行动力学模型表示为状态空间格式。以UH-60A直升机在高速飞行条件下的急拉杆机动飞行为例进行仿真计算,并与飞行试验数据进行对比验证。分析表明,仿真结果与试验结果吻合,高速飞行条件下机体抬头过程中前行桨叶非定常气动载荷的计算误差是引起旋翼和机体运动仿真误差的主要原因。     

基于动态非结构重叠网格法的直升机前飞非定常流场数值模拟研究

 发展了非结构重叠网格技术，提出适合于直升机旋翼运动的动态非结构重叠网格算法，该算法使得在采用非结构重叠网格模拟直升机流场时实现程序自动处理网格，不需任何人工干预。流动控制方程采用非定常可压缩Euler方程，空间离散采用Jameson有限体积法，时间推进采用双时间步长法，为加速收敛，在双时间步长内循环迭代中采用预处理技术。为验证本发展的预处理解算器以及动态非结构重叠网格的算法的可信性和有效性，开展一系列的数值实验，模拟了不同速度范围的NACA0012翼型绕流,Caradonna旋翼悬停和前飞流场以及Robin直升机机身-旋翼组合的前飞非定常流场，结果表明采用本文算法得到的结果是可信的，网格处理是自动高效的，可以应用于直升机全机流场模拟，为直升机设计提供可信指导数据。