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。     

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。     

舰船纵摇突变对舰面流场的影响

舰船在海上航行时会受到海浪的影响而产生横摇、纵摇等不同方向上的运动,同时海浪的随机性也会造成舰船摇摆参数发生变化,扰乱舰面流场,增加舰载直升机在甲板上方作业的危险性.为了保障舰载直升机在舰船上的起降和其他甲板作业的安全性,现基于两栖攻击舰的简化模型,通过计算流体力学方法,在纵摇状态下对舰面流场进行数值模拟,将不规则的纵...     

直升机/舰船耦合流场的数值模拟

发展了一套基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的直升机/舰船耦合流场数值模拟方法,采用ROEMUSCL格式对交接面通量进行重构,并采用k-ε湍流模型以提高对涡流场的捕捉精度,直升机旋翼等旋转部件的模拟使用动量源模型。然后,以具有典型驱护舰结构的LPD-17及ROBIN直升机的组合为研究对象,从涡量场、速度场及压力场等方面分析了直升机、舰船耦合情形下的流场特征。研究表明,当来流速度V_∞≥4m/s时,舰船流场进入雷诺数自准区,流场速度无因次化量基本保持不变;直升机着舰时,旋翼会与舰船艉部的涡回流区以及甲板两侧的舷涡发生较强的"涡-涡干扰",在上述干扰以及舰面效应的共同作用下,旋翼拉力产生显著的振荡,并呈现出先减小、后增大的变化特征;当着舰位置向舰尾移动时,艉部回流区的影响减弱,旋翼拉力振荡幅度相应减小。最后,对全机状态下的耦合流场进行了模拟,结果显示机身和尾桨对舰艉流场的主要结构影响较小,可用旋翼/舰船耦合流场来进行直升机安全着舰分析,这将显著缩短计算时间。     

直升机着舰降落操纵与动态响应研究

直升机在舰船上降落是一个非常复杂的过程,因此有必要对着舰降落阶段直升机的动态响应进行研究。首先,建立了直升机/舰船动态适配仿真模型。然后,通过UH-60A直升机的配平和操纵响应计算结果与飞行测量数据的对比,验证了仿真模型的准确性。最后,对直升机舰面降落操纵与动态响应进行了仿真计算与分析。研究结果表明:舰载环境对直升机着舰降落过程中的机体姿态变化有显著的影响;合理的操纵速率能控制直升机触舰时刻的机体姿态和角速率,减缓对甲板的冲击,保证直升机降落在限定着舰区域。     

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。     

直升机舰面动力学分析模型

建立了舰船甲板上直升机旋翼,机体耦合动力学分析模型,导出了其运动方程。无铰旋翼采用当量铰、刚硬桨叶模型,采用准定常理论计算桨叶气动力并计人旋翼动力人流的影响;假设机体是刚性体并在弹性起落架上作六自由度运动。舰船具有6个运动自由度,并考虑直升机在甲板上的不同位置及舰面流场等因素。     

非直通甲板舰船空气流场的结构化建模

舰船空气流场是舰载机起降安全的重要影响因素，其结构化建模是研究舰载机起降安全边界和起降动力学过程的重要支撑。直通甲板舰船的空气流场结构化建模问题已于20世纪80年代解决，并纳入MIL-F-8785C军用规范，得到了广泛应用；而非直通甲板舰船的空气流场结构形式更为复杂，近年来科研人员通过数值模拟、风洞试验或实船测量等方法开展了研究，但其结构化建模问题仍有待解决。本文的研究目的是探索非直通甲板舰船空气流场的结构化建模方法。通过对其流场结构、形成机理进行分析，采用流场特性频域分析和数据拟合方法，解析了流场的稳态、周期和随机分量，成功构建了流场结构化模型，并通过仿真验证了模型的有效性，初步解决了非直通甲板舰船空气流场结构化建模问题，得出了较为实用的结构化模型，有望为舰载直升机起降安全研究提供重要支撑，大幅减少机-舰动态配合试验的工作量，使机-舰组合风限图的制定更加高效，并为机-舰动态配合实时仿真奠定基础。     

直升机着舰起落架动态响应

舰载直升机着舰过程复杂。与地面降落相比,舰面的不稳定气流使得直升机姿态难以保持,下降的速度更大,且由于直升机通常都是单轮着舰,导致起落架载荷很大。为了研究直升机在不同条件下着舰时起落架的动态响应,建立了机体/起落架/舰船耦合模型,将着舰过程中直升机的运动和舰船的运动联系起来,通过仿真计算得出起落架的动态响应。仿真计算结果表明:直升机着舰质量越大,起落架压缩量和载荷越大;直升机低头着舰会导致前起落架载荷显著增大;直升机着舰下沉速度过大会导致着舰载荷急剧增大,可能会对结构造成破坏。     

舰载直升机着舰模拟技术研究

针对直升机着舰模拟技术开展深入研究，重点研究舰载直升机着舰模拟器的重要组成部分，包括直升机和舰船数学模型，飞控系统数学模型，视景显示系统，仪表显示系统，舰船甲板流场模型，教员控制台和操纵负荷系统等。     

直升机-舰船动态配合着舰仿真研究

针对直升机-舰船动态配合研究的需求,开发了一种舰载直升机-舰船动态配合耦合模型.该模型以直升机飞行动力学模型为主体,包括了几个子系统模型,同时考虑了子系统间的相互影响与耦合作用.以UH-60A直升机与某型舰船的动态配合为例进行了着舰降落仿真研究.结果表明:流场、舰效和舰船运动等舰载因素加剧了直升机着舰过程中的机体姿态变化,增大了触舰速度,加大了着舰风险.     

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。     

舰载直升机着舰动力学分析

直升机的舰上起降是研究机一舰动态配合的主要内容，它是直升机起降安全和充分发挥其潜力的有力保证。为此从直升机舰上起降的特点出发，分析了舰船运动特性，空气尾流场变化规律，对直升机着舰及其着舰后的甲板运动力学进行了研究，最后简要地介绍了“风限图”的情况。     

耦合POD重构舰面流场的直升机舰面起降数值模拟

为解决舰面非定常流场数据量过大的问题,采用本征正交分解(POD)方法对舰面流场进行重构,发展了一种耦合POD重构流场的直升机舰面起降数值模拟方法。首先采用计算流体力学(CFD)方法计算舰面非定常流场,获得离散数据样本;然后提取流场的POD模态,并截取能够捕捉到原流场主要特征的少量模态对原流场进行重构;最后建立耦合重构舰面流场的直升机高阶飞行动力学模型。以直升机返航进场为例进行数值模拟,并将计算得到的操纵量和飞行状态与飞行试验结果进行对比。结果表明:使用POD方法重构后的舰面流场数据约为原始样本数据的8.5%,且重构流场与原始流场吻合良好,POD方法能够解决舰面非定常流场数据量过大的问题。与飞行试验数据的对比表明,本文方法捕捉到了舰面非定常流场对直升机的影响,可用于直升机舰面起降研究。     

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。     

舰载倾转旋翼机着舰流场及气动干扰特性数值计算研究

针对舰载倾转旋翼机甲板着舰时的气动干扰问题，开展了着舰流场及气动干扰特性数值计算研究。首先，采用CFD技术建立了基于滑移网格方法的舰船与倾转旋翼计算模型，并通过试飞及风洞试验结果对比，验证了计算方法的合理性。然后，进行了倾转旋翼机流场及舰机复合流场数值计算，研究了风向及气流速度对倾转旋翼机着舰气动干扰特性的影响规律。结果表明：来流风速越大，气流经机库陡壁下冲速度越高，导致旋翼有效迎角减小，旋翼拉力减小；全机滚转力矩受侧向气流干扰左侧升力增大时，引起向右的滚转力矩；全机俯仰力矩受气流偏角的影响，气流从前方流动产生抬头力矩，气流从后方流动产生低头力矩。     

舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场数值模拟研究

倾转旋翼机是当前旋翼飞行器研究的热点,但有关舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场的研究还很少。以两栖攻击舰(LHA)和V-22"鱼鹰"倾转旋翼机为研究对象,基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型对舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场进行数值模拟研究,并探讨了不同着舰高度时机/舰耦合流场的相互作用。结果表明:倾转旋翼尾流会与舰船脱落涡、甲板舷涡以及舰岛艉涡发生较强的"涡-涡干扰"现象,加大了耦合流场的湍流强度;舰船流场的低频非稳态特征会导致旋翼桨盘气动载荷发生显著的波动,不利于飞行操纵;垂直降落过程中,舰船甲板会形成"前低后高"的压力分布特征,倾转旋翼RMS气动载荷值也会明显增加,降低了着舰安全性,且右旋翼RMS气动载荷值比左旋翼平均大一倍以上,这也表明右旋翼面临着更加严峻的气动环境。     

基于CVG的滑跃甲板尾流抑制

滑跃甲板对于提高舰载机起飞性能有重要意义，但是滑跃甲板会加剧舰尾流的湍流度，造成甲板上方和下滑线附近气流高度不稳定，影响舰载机起降安全。本文采用RANS/LES混合的DES方法，对平直甲板和滑跃甲板尾流进行数值模拟。结果表明，滑跃甲板后方存在巨大的分离区，对甲板上表面和着舰下滑线附近气流产生很大的影响，导致甲板附近x方向风速度降低，提高了对舰载机起飞和降落速度的要求。同时，速度波动幅值增大，对舰载机精准航迹控制有不利影响。为有效抑制滑跃甲板造成的舰尾流影响，提出了一种基于柱状涡流发生器（cylindrical vortex generators,CVG）的滑跃甲板尾流抑制方法，可有效降低滑跃甲板产生的影响。柱状涡流发生器可以有效减弱滑跃甲板导致的前甲板分离区，使得甲板流场更加稳定。相比无CVG时，有CVG时甲板x方向风速更高，风速波动功率谱密度（PSD）降低20～40 dB，恢复到与平直甲板相当的程度，可有效提高舰载机的起降安全性。     

舰船空气尾流场对直升机着舰的影响研究

舰船空气尾流场是直升机舰上起降时的主要环境条件,对直升机的操稳性能及飞行安全有很大的影响。通过某型舰模风洞试验的PIV结果,介绍了舰船空气尾流场特性,如:等速度场和截面流线图、舰船机库脱体涡等,分析了下冲气流、涡流区及开/关机库大门等对直升机着舰的影响,对保障直升机飞行安全有重要价值。