黄 刚 程 蒙 梁仍康 张 伟

(西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010)

近年来，随着科学技术的进步和国家利益的竞争，舰载直升机在争夺制海权方面发挥着愈加重要的作用。舰载直升机在复杂的舰船尾流场区域着舰时危险性很大。据调查统计，舰载直升机的事故概率是其他航空飞行器的数倍[1]。因此，舰载直升机的安全问题也引起了各海权大国的密切关注[2]。

气流流过舰船上层的不规则建筑、机库等非流线型钝体结构时，会发生分离，产生复杂的湍流流场[3]。气流流过机库会产生下洗和侧洗气流；而气流流过上层建筑物会产生非定常的涡流场。在舰船后方的直升机着舰区域内，舰船尾流场与直升机自身的非定常涡流场相互耦合干扰，则会产生“陡壁效应”[4]和“舰面效应”[5]等多种问题。受复杂且不稳定耦合流场的影响，着舰域的流场品质进一步降低，直升机各机械部件气动力特性会发生显著变化[6]，使得直升机操纵性及稳定性降低，从而危及其着舰安全[7-8]。

为了解决直升机着舰时遇到的安全性问题，国内外众多学者基于计算流体动力学(CFD)方法对舰船流场和旋翼流场开展了一系列研究。

在舰船流场CFD数值仿真方面，Polsky[9]等应用MILES方法对LHA舰船流场进行了数值仿真分析，与风洞实验数据对比良好，阐明了使用非定常方法模拟实际的舰船气流场的重要性。2008年，Syms[10]使用Lattice-Boltzmann法分别计算了两个SFS轻型护卫舰的气流，得到相对准确的流场数据，验证了该方法的可靠性。2009年，Hodge[11]等考虑了舰船甲板的运动，利用非定常、双时间精度的CFD方法研究了驱逐舰甲板流场，表明甲板流场不稳定且导致了飞行员工作载荷的增加。2010年，Forrest[12]采用DES(分离涡算法)模型分别计算了不同风向角下T23和SFS2舰船模型的流场，仿真结果与实船测量和风洞试验数据吻合良好。

在直升机流场CFD仿真方面，Christian[13]对某直升机模型进行了建模和CFD数值分析，使用重叠网格技术，考虑桨叶的周期变距运动，使用SSTk-ω双方程湍流模型，模拟直升机分别在悬停和前进状态下所得到的升力值结果与实验数据吻合良好。Antonios等[14]采用非结构化自动体网格技术研究直升机附近的流场，计算得到旋翼和直升机机身上的压力分布特性，与GOAHEAD项目的风洞试验数据吻合。曹飞等[15]通过改进CFD方法研究了不同飞行状态下复合式直升机旋翼与机身干扰的气动力特性，表明直升机低速前飞时，旋翼对机身的干扰较强。

前述诸多研究大多都是将舰船流场与直升机旋翼的气动特性分别展开研究，没有考虑其相互耦合干扰作用。为保证飞行员及直升机的生命和财产安全，合理分析直升机着舰的过程中旋翼气动力特性受耦合流场干扰的影响十分必要。2007年，Alpman等[16]和Bridge[17]等进行了舰船尾流与直升机下洗气流的耦合影响模拟。通过PUMA2和Genhel代码分别研究了舰船尾流场和旋翼气动力特性。Oruc[18-20]等为研究耦合流场，采用了基于运动嵌套网格,使用二阶精度Roe/TVD格式研究了直升机着舰耦合流场。2018年，宗昆[21]等采用k-ε湍流模型和动量源项方法，研究舰船尾流场对直升机着舰性能的影响。

为提高舰载直升机在复杂海况下作业的安全性，本文基于CFD方法，建立直升机旋翼与舰船的耦合计算模型，考虑旋翼与舰船之间的非定常干扰作用，开展旋翼/舰船耦合流场数值研究。

1 计算模型及方法

1.1 舰船及旋翼模型

舰船模型采用TTCP计划中的典型护卫舰简化模型SFS2，旋翼选用法国的海豚直升机旋翼。舰船模型SFS2示意图如图1所示，其船宽2.25H，船长22.75H，甲板及机库高分别为0.75H及1H，其中H为机库高度6.096 m。旋翼模型如图2所示，旋翼翼型为OA209 ,其参数如表1所示。

图1 SFS2舰船模型Fig.1 SFS2 ship model

图2 旋翼模型Fig.2 Rotor model

表1 海豚直升机旋翼参数Table 1 Parameters of Dolphin helicopter rotor

本文对旋翼位于舰船的典型位置进行了数值计算，旋翼旋转中心的位置如图3所示。x轴正方向指向舰艉，y轴正方向指向上，z轴正方向根据右手定则判断，指向舰船侧面。其中x0(或z0，y2)点在甲板上的投影位于甲板中心，竖直方向高度距离甲板1.5H，坐标为(13.716,9.144,0)m。各计算点为沿x正方向取5个间距为6.858 m的点，沿z方向取间距为 3.429 m的5个点，沿y取间距为3.048 m的5个点。

图3 舰船与旋翼位置示意图Fig.3 Schematic diagram of the position of the ship and the rotor

1.2 计算域网格划分

为了方便和节约计算舰船/旋翼干扰流场的计算资源，本文使用组合计算域。如图4和图5所示，即将计算域分别划分为舰船表面附近及远处外部的计算域和旋翼附近的计算域。采用滑移网格方法模拟旋翼的转动，通过圆柱形interface对保证计算域间数据的连通。舰船外部的计算域为长、宽均为855 m、高600 m的长方体，旋翼附近的计算域则为半径6 m、高1.2 m的圆柱体。

图4 计算域Fig.4 Computational domain

图5 计算模型示意图Fig.5 Schematic diagram of computational model

使用Fluent meshing划分舰面非结构网格时(图6和图7)，适当将尖锐几何处切角，以增加网格质量。采用八叉树网格方法对计算域进行网格划分，桨叶表面采用多面体网格，舰船表面以及海平面采用棱柱层网格方法划分了边界层。对旋翼尾流区进行了适当的网格加密以便更好地捕捉流场结构(图8)，总网格数量约为1 120万。

图7 舰船切面网格Fig.7 Grid on ship surface

图8 旋翼表面网格Fig.8 Grid on rotor surface

1.3 边界条件及计算设置

SFS2舰船表面、OA-209桨叶表面以及长方体计算域的底面(即海面)均定义为无滑移固体壁面，长方体计算域的四周面及顶面均定义为压力出口(pressure-oulet)边界条件。

假设舰船静止且在无来流的条件下，利用Fluent软件，使用瞬态压力基算法、k-ωRealizable湍流模型、MUSCL高阶低耗散离散格式模拟高速旋转流下的流场。

2 结果分析

2.1 直升机旋翼于x方向进入甲板

图9和图10分别给出了旋翼从x方向着舰的过程中旋翼中心位于不同位置处的yz剖面的压力和速度云图。从图中可以看出，从x4点到x2点，在旋翼以平飞方式逐渐靠近舰船甲板上空的过程中，越靠近舰船，则船尾壁面对旋翼尾流结构的阻挡干扰影响就越大；从x3点到x2点，旋翼正式进入甲板上空，在舰船内侧的翼缘大涡结构有所改善，但其受到机库门壁面干扰的影响开始显现；从x2点到x0点，旋翼桨盘将完全进入甲板区域，甲板与旋翼间舰面效应增加至最大，机库门壁面将干扰旋翼尾流结构形态，并对耦合流场产生主导影响。从图10可以看出，旋翼在甲板或海面上空区域悬停时的流场结构，机库门对旋翼尾流的影响随旋翼的接近而愈发明显。受机库门壁面的阻挡干扰，旋翼尾迹回流结构区域被压缩且逐渐减小，此时核心回流结构将增加旋翼桨盘入流速度，从而导致旋翼拉力受到损失(见下文图16)。

图9 旋翼从x方向进入甲板的各位置的压力图Fig.9 Pressure diagram of the rotor at various positions entering the deck from the x direction

图10 旋翼中心从x方向进入甲板时的xy剖面速度图Fig.10 Velocity diagram of the xy profile when the rotor enters the deck from the x direction

2.2 y方向进入甲板

图11和图12分别给出了旋翼从y方向着舰过程中旋翼中心位于不同位置的yz剖面的压力和速度云图，图13给出了不同位置的xy剖面的速度图。从图中可以看出，旋翼在竖直下降的过程中，流场结构受到舰船甲板面和库门壁面的影响愈发严重，导致旋翼下方的大回流区逐渐压缩，整个下降过程流场变化剧烈，旋翼受干扰多且大。从下文的图14(b)也能看出其气动力特性不平稳。

图11 旋翼从y方向进入甲板的各位置的压力图Fig.11 Pressure diagram of the rotorat various positions entering the deck from the y direction

图12 旋翼从y方向进入甲板的各位置的速度图Fig.12 Velocity diagram of the rotorat various positions entering the deck from the y direction

图13 旋翼从y方向进入甲板的各位置的xy剖面速度图Fig.13 Velocity diagram of the xy profile when the rotor enters the deck from the y direction

2.3 z方向进入甲板

图14给出了旋翼从z方向着舰过程中不同位置处的yz剖面的压力云图，图15给出了不同位置处的yz剖面的速度图。从图中可以看出，从z4点到z0位置，即旋翼从舰船侧向进场，其右侧的翼缘大回流结构在靠近船的过程受到较大干扰，在z3点时被压缩最严重，往后旋翼靠近中心位置，右侧回流区逐渐远离甲板后有所恢复。

图14 旋翼从z方向进入甲板的各位置的压力图Fig.14 Pressure diagram of the rotorat various positions entering the deck from the z direction

图15 旋翼中心从z方向进入甲板时的yz剖面的速度图Fig.15 Velocity magnitude diagram of the yz section when the rotor enters the deck from the z direction

2.4 气动力分析

旋翼气动力特性对于直升机和飞行员有着至关重要的影响。无量纲化的拉力系数定义为：

(1)

式中：T为旋翼拉力；ρ为空气密度；VT为桨叶的桨尖速度；R为旋翼旋转半径；S为旋翼的旋转面积。

图16分别给出了从x，y和z方向着舰，旋翼中心处于不同位置的拉力系数图。从图16可以看出，旋翼以不同方式着舰时，壁面效应与陡壁效应相互干扰，导致舰船/旋翼耦合流场结构复杂，旋翼气动性能随着舰位置不同而发生改变。 旋翼从x和z向水平着舰时，其拉力系数变化趋势总体较为相似。总的来看，第一个特征是在旋翼水平飞入甲板过程中拉力系数显著增加。这是因为旋翼在甲板上的竖向投影面积增加，甲板与旋翼之间的舰面效应相应增强，从而增加了旋翼的拉力性能。第二个特征则是旋翼临近机库门的壁面时拉力系数有着明显的下降趋势，这可能是由于旋翼下洗气流受到了机库门壁面的阻挡，在翼缘外形成较强的回流结构，导致靠近库门一侧旋翼桨盘面下洗流速增大。直升机y向的竖直进场着舰，则可以看到受到舰面效应影响，旋翼拉力系数在着舰时随高度降低而持续增加。由以上分析可以看出不论是竖直着舰还是水平着舰，甲板中心及其附近的点位拉力损失较小，适宜直升机起降。

图16 各方向拉力系数趋势图Fig.16 Trend graphs of thrust coefficient in all directions

3 结论

本文研究了旋翼以不同方式着舰过程中旋翼中心位于各方向不同点位下的气动特性及舰船/旋翼的耦合干扰流场特征，得出如下结论：(1)在旋翼与舰船之间的舰面效应与陡壁效应综合干扰影响下，舰船/旋翼耦合流场特性结构复杂，旋翼气动力特性因着舰位置的不同而有着显著变化。(2)在整个旋翼除了竖直着舰的路径中，在翼尖的外围位置，旋翼尾流会形成大回流结构。当旋翼中心位于甲板中心、高至机库门中心位置(即y0点)，桨盘距离甲板最近，地面效应影响最大，旋翼的拉力性能最强。(3)旋翼从海面上空水平飞入甲板空域过程中，旋翼与甲板间的舰面效应相应增强，其影响占主导地位，导致了拉力系数明显增加。(4)在甲板上空中心位置，旋翼拉力性能损失较为严重，推测旋翼接近机库门壁面，受其阻挡，陡壁效应的干扰占主导，迫使旋翼翼缘外围的主回流结构接近旋翼桨面，造成旋翼下洗流速增加，以致拉力性能降低。