舰船空气尾流场特性研究

舰船空气尾流场是舰载直升机在非航空型舰船上起降或者在这类舰船附近作业时的主要环境条件，是危及舰载直升机飞行安全的主要因素之一。现以机－舰动态干扰为研究目的。通过各种试验结果的相互比较，验证，综合分析了舰船空气尾流场特性。着重研究了尾流场中涡流区的及变化规律，下洗速度的大小、下洗范围及变化规律，为机－舰动态配合的试验提供了可靠的依据，另外，还结合飞行实践简要地分析了直升机进入尾流场后的反应。     

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。     

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。     

直升机旋翼与舰船复合流场试验方法研究

直升机旋翼诱导流与舰船空气尾流叠加后形成复合流场,对直升机舰上起降时的操纵响应及飞行安全有很大的影响。介绍了复合流场的风洞试验方法,包括试验的基本原则、旋翼及舰船模型的设计方法和参数、模型的安装方案及试验状态,并给出了部分试验结果及其分析。结果表明,旋翼诱导速度改变了舰船尾流分布,打开机库门可减弱旋翼的影响。     

风-浪-舰耦合对舰船尾流场及直升机气动的影响

为研究波浪和舰船运动对高海况下舰载直升机起降的影响，建立了一套耦合风-浪-舰和直升机的多相流数值模拟方法。使用动态流体作用模拟舰船运动，采用动量源方法模拟直升机旋翼，对3～6级海况下ONRT舰船摇荡运动时的尾流场非定常气动特性进行了研究，并计算了UH-60A直升机旋翼气动载荷的时间历程。研究表明：6级海况下流场速度分量和旋翼气动载荷的波动达到5级海况的2倍，而3～5级海况之间的差别较小；悬停跟进时直升机不断出没于舰船运动导致的尾流中速度和涡量不同的区域，使得旋翼气动载荷有极强的非定常特性；在6级海况下，旋翼拉力与波浪-舰船耦合运动同周期的波动达到20%,并伴随着穿越尾流剪切层时产生的5～10 Hz的小扰动。     

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。     

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。     

近舰区风场建模与着舰仿真分析

通过分析近舰区风场特点,建立了低空风场和舰尾流模型,对飞机的着舰过程进行了仿真分析。分析认为:近舰区风场影响了着舰航迹的稳定性,降低了飞机着舰的安全性和乘坐品质。为了验证模型的合理性,进行了飞行员在环的地面飞行模拟试验,分析了近舰区风场对飞机着舰过程和飞行员操纵特性的影响。试验结果表明,近舰区风场的存在显著增加了飞行员的滚转操纵负荷。     

舰载飞机起飞和着舰的地面飞行模拟试验

论述了舰载飞机起飞，着舰的地面飞行模拟试验对舰载飞机设计和飞行员训练的重要性。分析了舰载飞机在起飞，着舰环境条件，起飞方式，着舰方式和着舰导引方式等方面的特点，及实现舰载飞机起飞，着舰地面飞行模拟试验对飞行模拟器的运动系统，视景系统，座舱设备和软件系统等方面的特殊要求。并分析了用现有地面飞行模拟器来模拟舰载飞机起飞，着舰需要进行的各项改造工作。     

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。     

舰尾流对舰载机复飞边界影响分析

通过研究舰载机在进场着舰阶段的复飞边界条件及安全影响因素,考虑引入初步的航母舰尾流场对复飞轨迹的影响,基于六自由度运动方程建立了舰载机在舰尾流环境下的复飞仿真模型。以某型飞机为例,进行了有无紊流扰动下的舰载机复飞仿真计算,并分析了舰尾流对复飞边界的影响。分析结果可为舰载机复飞边界的确定提供参考。     

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。     

低压室初始长度对火箭弹自力弹射出筒尾流场的影响

低压室初始长度的改变直接影响火箭弹自力弹射过程中低压室压强的建立，进而对弹射出筒过程中的尾流场产生影响。本文基于二维轴对称N-S方程建立了火箭弹自力弹射出筒尾流场的数值计算模型，采用动网格技术对弹射出筒的全过程进行了非定常数值计算。采用文中计算模型对超声速冲击射流试验进行了模拟，得到的流场结构与试验纹影图匹配良好；开展了自力弹射的实弹发射试验，仿真数据与试验数据的一致性较好，在此基础上分析了低压室初始长度对尾流场不同阶段的影响。结果表明，随低压室初始长度的增加，发射筒底部的第一个压强峰值增大；尾流场初始阶段震荡幅度增加且震荡时间延长；尾流场发展阶段内弹体的位移增量及速度增量减小，低压室压强峰值及峰值过后的压强下降速度减小；尾流场稳定阶段内弹体的位移增量及速度增量增加。     

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。     

规则海浪情况下直升机着舰速度研究

从直升机和舰船运动方程出发，主要对直升机的着舰速度进行了研究，确定了在规则海浪情况下，着舰速度与舰船横摇角、侧向伴移、升沉之间的关系。最后，对直升机的着舰过程进行了模拟，所得结论可为直升机起落架强度设计和飞行员正确操纵直升机着舰提供参考。     

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。     

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。     

基于相似构型决策的舰载机驾驶员建模与评估

舰船运动和舰尾流等复杂海况是影响舰载机着舰难易度和精确度的重要因素，建立驾驶员着舰控制行为模型并构建人机闭环系统是评估复杂海况对驾驶员操纵负荷影响的有效手段。此外，新一代舰载机存在多种构型配置，并且即便是同一飞机其每次开始着舰时也可能处于不同的质量和气动构型下，因此在驾驶员建模中有必要考虑飞机构型变化。针对舰载机着舰操纵负荷评估问题，基于飞行试验手段和频域计算方法，建立了纵向俯仰跟踪的Hess结构驾驶员模型。考虑飞机着舰构型的变化，基于CAP准则和控制扩展方法，构建了舰载机典型构型库，并应用驾驶员在环仿真试验建立了与各飞机构型匹配的驾驶员模型，形成驾驶员模型库。在此基础上，给出了相似构型决策准则和方法，提出了针对指定飞机构型的驾驶员行为模型预测方法。针对舰载机在复杂海况下的着舰任务开展仿真分析，结果表明，本文方法能够支撑研究不同舰载机构型的操纵负荷的影响。     

直升机着舰过程模拟

联立直升机和舰船运动方程,模拟了直升机的着舰过程,主要对直升机的着舰速度进行了研究,确定了在规则海浪情况下,舰船横摇角、侧向位移、舰船升沉与着舰速度之间的关系,为飞行员正确操纵直升机提供理论参考.     

船舶与海洋工程计算流体力学的研究进展与应用

本文着重介绍了中国航船科学研究中心在ＣＦＤ方面所具备的能力,内容有：粘性流中水面舰船尾流场计算;实船雷诺数１０＾９量阶的舰船尾流场和水动力性能的数值预报;实效伴流场－船体与螺旋浆相互作用的数值预报;