载机舰船气流场相关研究综述

贺少华，刘东岳，谭大力，刘 平，颜世伟

(海军装备研究院，北京 100161)

0 引 言

舰载机起降是航母上最复杂、最精细、最危险的作业种类，从美国海军航母服役历史看，舰载机起降引发的安全事故不胜枚举，一年中因此丧生的飞行员人数最多达到数百人，超过了海湾战争中美军的所有伤亡总数[1]。据研究统计，航母舰载机飞行员的生命危险概率远远高于陆基喷气轰炸机飞行员、民航飞行员、宇航员等其他类型飞行员。舰载机起降安全已成为舰载机上舰、航母形成战斗力必须首先解决的问题，是各国海军航母发展最为重视的问题之一。

图1 美国海军LHA舰载机安全甲板风包络Fig.1 WOD envelope of an aircraft of an LHA

国外研究表明，影响舰载机起降安全的不确定因素主要包括着舰环境可视度的下降(如夜间、雾天等)、母舰的六自由度运动、舰船气流场的干扰、着舰区域的限制等[2]。其中，气流场是衔接舰载机与母舰，体现航母舰机适配性能优劣的关键因素。飞行甲板上方及周围的空气流场复杂，不稳定流场对着舰过程中的舰载机平衡和操稳性能会产生很大影响，直接危及飞行安全，故舰载机起降对母舰的甲板风(包括风速和风向)提出要求，通常称之为甲板风包络(wind-over the deck envelopes)，如图1所示。

本质上，舰船气流场是一种在时间域和空间域均分布较广的、三维的、不稳定的流场，通常含有大量流动分离的区域，同时，还存在较强的湍流拟序结构从舰船上层建筑和钝边脱落的现象，对舰载机的动力响应、机身载荷、飞行员操作等均产生影响。 舰船气流场的特性已经成为舰船-舰载机适配设计工作中必须考虑的问题，这一问题的研究在美国已经成为舰机SAFEDI(safe dynamic interface)研究领域中的一个最主要内容。

1 研究内容

载机舰船气流场相关研究具体内容主要包括气流场建模、数值算法、计算加速技术等，其中，气流场建模主要指的是舰-流场-机系统方程的建立，如驾驶员操控、飞行动力学、气流场、母舰运动、海水流场等的全部或部分耦合建模及复杂流场特征如涡的模拟等；数值算法主要指的是系统方程的离散方法及系统解的迭代方法等，包括快速性和精确性2个方面的要求，如系统控制方程的有限体积法离散、隐式/显式迭代算法、预测-修正算法等；计算加速技术主要指的是求解速度的提高，主要藉由算法改进和硬件资源的有效利用、提高来实现，如并行算法、欠松弛技术与SIMPLER算法等。

2 研究方法和思路

载机舰船气流场相关研究的方法主要有2种：第1种是计算机建模与数值仿真方法，即CFD计算；第2种为缩比模型风洞测试或实船海上测试(wind tunnel & at-sea tests)。在相关理论还不健全和计算机数值计算能力还较低的阶段，载机舰船气流场相关研究主要采用的是第2种，但该试验方法成本高，测试范围有限。计算机建模和数值仿真计算方法可以克服传统试验方法研究的弊端，能够将研究对象参数范围和复杂程度拓展到理论所允许的任何范围。在国外，计算机建模与仿真计算方法已成为载机舰船气流场研究的一种重要方法，与模型(实物或半实物)试验研究方法、(陆上)海上实船(实装)测试方法相互补充，各取所长。

可以简单地将舰船气流场对起降中的舰载机或者说对飞行员驾控(自动驾驶仪)的影响看成是单向，但实际上是双向，即前者对后者产生影响的同时，后者对前者产生影响，所以，以往研究主要有2类：一类为两步法，即预先得到纯舰船环境下的气流场特征，之后，以此为激励，研究舰载机在这一激励下的响应；另一类为耦合法，即舰载机(包括飞行员驾控、机身及其运动、旋翼、动力涡轮进排气等)反过来会对气流场产生影响，二者互为耦合关系，试验及计算时舰载机和母舰要同时考虑。很显然，第2类研究要相对真实，但耦合的处理十分复杂，而第1类研究虽然缺乏对耦合的考虑，但在多数情况下还是能够得到有用的结论，且研究成本低。

3 具体研究工作

3.1 风洞和实船测试

舰船气流场的实验测试或者说验证主要采用缩比模型风洞测试和全尺寸或海上实船气流场测试2种方式，如图2和图3所示。

图2 舰船缩比模型气流场测试Fig.2 Wind tunnel test of the scaled model of a carrier

图3 海上实船气流场测试Fig.3 At sea test of ship airwakes

1)不考虑与舰载机的耦合

国外采用大量实验研究方法从事气流场环境的研究，即为获得各种风况和环境中舰船(不考虑舰载机存在的影响)的气流场特征数据，设计缩比模型在风洞中进行测试或在海上对实船进行测试。以俄罗斯为例，在研制大型舰船时，在风洞中进行近1个月的气流场环境试验测量，在舰船建造期间针对实船进行大量的实际测量。在美国，截至2008年，NAVAIR完成的相关工作和研究主要有：① 全尺寸(实船)测试实验：LHA，CVN 76等；② 缩比模型风洞实验：LHA，CVN 73,CVN 76，DDG 81，DD 963，LPD 17，主桅杆及天线等。部分实验考虑了母舰的运动[2]。美国舰船气流场风洞实验测试主要在马里兰州帕特克森特河海军空战中心-NAWC(见图4)以及NASA低速风洞试验场完成。美国NASA的多个研究基地均有自己的风洞设施，但这些风洞的功能使命不同，风洞类型也不同，对于舰船气流场的测试，则利用低速风洞进行，多个研究基地均能进行此类试验。

2)考虑与舰载机的耦合

舰船气流场环境中的舰载机(包括机身及其运动、旋翼、动力涡轮进排气等)反过来会对气流场环境产生影响，即气流场实际上是一种时变的耦合场。在进行实验测试时，需要将舰载机考虑进来，如图5所示。该实验模拟直升机在典型舰船机库-甲板位置着舰时的情形，最终测得的气流场速度数据如图6中箭头所示，很显然，此时的气流场特征与不考虑直升机时的气流场特征肯定不同。舰载机本身运动制造的气流场很难在风洞中模拟，所以，在风洞中一般只测量舰载机在空中定位静止时的耦合气流场。

图4 美国海军空战中心的缩比模型风洞测试实验装备Fig.4 Some devices for wind tunnel test of NAWC, US Navy

图5 考虑耦合的气流场试验测试Fig.5 Coupled airwake test for a helicopter

图6 耦合气流场实验测试结果Fig.6 Results of coupled airwake test of a helicopter

通过风洞测试耦合气流场的以往研究有：文献[3]研究了CPF舰流场中风速和风向对1架流场中的四桨舰载机发动机模型气动力的影响。结果显示，气流场使得发动机进气减少，因而发动机推力显著减小，对飞行员的工作负荷和操作包络会产生明显的影响；文献[4]开展风洞试验，考察CPF舰湍流气流场中“海王”直升机机身的不稳定空气动力载荷；文献[5-6]得到了气流中V-22倾转旋翼机的机身力和力矩，以及详细的速度场测量值，与LHA舰进行缩比模型试验。

3.2 计算机建模与数值仿真

气流场海上实船测试十分困难，特别是需要得到甲板风包络时。原因主要包括：风速和风向的可能组合很多，实验成本高，风况也很难满足，真实舰载机起降耗费高、风险大。风洞实验能够精确控制风况，其他各方面受控性也较好，但由于通常采用小尺度的船模，无法获得全尺度时的高雷诺数，结果的准确性难以保证，所以风洞实验适宜作为CFD的验证手段。

采用CFD方法进行舰船气流场的研究具有可控、安全、成本低的特点，它可被用在培训飞行员的飞行仿真器上。同时，它也是一种工程和设计领域非常好的仿真工具，用来辅助开发高级飞行控制系统和设计未来舰船。

在CFD中，湍流的建模非常重要。现今有许多不同的方法数值模拟湍流流动，其中包括解雷诺平均Navier-Stokes 方程(RANS) 、大涡模拟(LES) 以及直接数值模拟(DNS) 等。对舰船来说，其周围的绕流流场非常复杂，如果单一地采用上述某一种方法，要么计算量太大，要么计算结果较差。若在湍流附面层内采用RANS方法而在其他区域采用LES方法，就可以大大降低计算时间和计算资源的消耗，所得到的计算结果与RANS相比会有所改善，DES(脱体涡模拟)方法就是基于该思想，在湍流附面层内采用RANS 方法通过雷诺平均假设模拟附面层内的湍流流动，在其他区域采用LES方法模拟脱体涡运动。加拿大海军对其某型护卫舰的缩比模型(SFS2)进行风洞试验和DES数值模拟计算，二者结果吻合较好，表明DES 能够较好地对大尺度的湍流结构进行数值模拟[7]。

1)不考虑与舰载机的耦合

国内外基于CFD的舰船气流场研究出于简单的考虑，大多不考虑与舰载机的耦合，这样，飞行动力学和CFD可以分开单独计算，避免复杂的建模要求，降低计算成本。文献[8]采用定常RANS方法对DD 963型舰气流场进行数值仿真计算；文献[9]解释了定常 RANS仿真和试验数据之间存在差异的原因在于该仿真方法忽略了流体的不稳定特性；文献[10]采用非粘性流体仿真方法获得了该国海军6艘不同型号舰船的定常气流场，该气流场数据主要运用在直升机飞行模拟器上；文献[11]提出精确时间气流场对飞行模拟器的仿真度而言十分重要，飞行模拟器需要考虑精确时间气流场模型，CFD必须考虑风向改变的因素；文献[12-13]采用大涡模拟对LPD 17舰气流场进行计算；文献[14]还研究了网格质量和空气边界层建模对横风时(90°时)气流场的影响，空气边界层被建模成远场入/出流边界条件(考虑对海平面的足够的网格分辨率)，进一步比较仿真计算结果与全尺寸试验结果的差异；文献[15-16]对LHA舰的气流场进行初步的定常/非定常计算，采用LES方法；文献[17-18]建立结构和非结构网格，采用非线性扰动方程方法(不考虑粘性项)对通用SFS舰(模型)进行非定常气流场解算；文献[19]对SFS、CVN 75和LHA等舰的定常气流场进行仿真计算；文献[20]对LPH 17进行无粘性气流场仿真。

2)考虑与舰载机的耦合

湍流是一种低雷诺数流，尽管如此，它会与舰载机本身产生的流场产生耦合。 另外的耦合因素还包括飞行员、舰载机(包括机身及其运动、旋翼、动力涡轮进排气等)等。

文献[21-24]对舰船与舰载机(直升机)转子、机身的交互气流场进行研究。文献[15]计算了AV-8B在不同盘旋高度时的下洗气流场与LHA两栖攻击舰气流场的耦合特征，并计划进行垂直/短距起降舰载机与舰船耦合气流场的仿真计算。文献[16]研究鱼鹰V-22倾转翼舰载机发动机产生气流场与LHA气流场的耦合。上述研究中，舰载机的位置一般是定点的， 且考虑了飞行员的补偿。

不考虑舰载机耦合因素与考虑舰载机耦合因素的气流场特征和对飞行员驾控的影响究竟有多大差异，文献[25]的研究具有一定的参考价值。文献[25]建立了飞行员的仿真模型，对直升机在LHA 1两栖攻击舰气流场中盘旋和进近着舰2种情况进行研究，对比“无耦合”和“耦合”计算结果的差异，得到的主要结论有：对于盘旋的情况，可以看到2种方法在时间历程和飞行员控制谱(control activity autospectra)方面存在的差异，与飞行测试数据相比，2种方法都低估了气流场带来的不稳定扰动，“耦合”低估得更厉害，给出的解释为直升机旋桨导致的气流下洗使得从甲板横向边缘脱落的漩涡无法上升，即无法接近直升机机身，减小了漩涡对飞行动力学的影响。对于进近着舰的情况，“耦合”计算结果更接近飞行测试数据，飞行员的工作负荷结果基本相同，“耦合”略微有提高，这里的“相同”可以解释为从舰岛竖直边脱落的漩涡受到直升机下洗气流的影响不像盘旋时那样明显。

“无耦合”方法，使用预先CFD计算好的流场数据作为输入，比“耦合”方法更加灵活快捷，因为在“耦合”方法中，CFD和飞行动力学分析在每一计算时间步都要互相交换数据。但“耦合”方法在当舰船气流场与舰载机下洗气流有较强干扰时，计算精度较高。

“耦合”方法可以带来仿真度的提高，因为在CFD计算考虑了舰载机下洗气流的影响，尽管如此，文献[25]计算发现，该结论并不总是成立的，比如，在该文的直升机盘旋状况时，“耦合”方法计算结果确实显示出直升机下洗气流对舰船气流场有明显的扰动影响，但是这种下洗影响反而带来了相对飞行测试数据的更大偏差和对飞行员工作负荷的低估，这可能是因为下洗气流与舰船气流场的交互影响对环境条件、舰载机的相对位置、制造气流场的结构物等是高度敏感的，需要进行进一步的研究。

4 关键技术

4.1 大规模复杂舰船气流场建模技术

大型舰船的复杂几何特征使得舰船气流场的建模和分析均存在很多技术上的挑战，建模(包括几何建模、离散建模等)需要考虑舰船复杂几何特征的精确表达，这些几何特征主要包括舰船上层建筑和形状不规则部位(如突兀边、角等)。舰船上层建筑主要包括舰岛、天线、雷达、排气烟窗等，其周围气流场是很难预测的。需要在研究气流场对建模参数敏感度的基础上，对复杂几何和网格进行一定的简化，以在尽量不影响计算精度的前提下降低模型的复杂度，从而提高计算速度。

湍流、漩涡、分离等物理现象的数值模拟是决定气流场数值仿真度高低的关键，对母舰附近风场中的漩涡、分离、多流动结构干扰、结构拟序等复杂物理现象进行准确地描述难度大、要求高。

另外，还必须考虑飞行员、舰载机(包括机身及其运动、旋翼、动力涡轮进排气等)的耦合建模，以及舰船运动即飞行甲板的运动、海浪等因素的建模。

4.2 大规模复杂舰船气流场计算技术

舰载机(运动、机身、桨叶、涡轮动力进排气等)与飞行员、气流场、母舰构成一个十分庞大且复杂的系统，对方程解算和计算机硬件资源提出了很高的要求。精确时间求解所有气流场特征：湍流、边界层、流动分离等，是一件十分有挑战性的工作。幅度的不稳定需要长时间的计算，舰船的复杂网格将占用巨大的计算资源，如何实现求解精度与建模、计算速度代价的最佳平衡是一个有难度的问题。针对这个系统，需要研究快速建立系统方程和数值求解方程的方法，研究结果误差产生的来源。

5 我国的现状及差距

国内对于载机舰船气流场的专门研究已有十多年的历史，从已公开的文献来看，重点研究单位包括中国舰船研究设计中心、哈尔滨工程大学、北京航空航天大学等，研究大多集中在对纯舰船环境气流场(不考虑与舰载机的耦合)的仿真计算、缩比模型风洞试验和实船测试中，且舰船缩比模型风洞试验和实船测试进行的次数十分有限，许多研究仅限于CFD仿真计算，缺乏试验数据的检验。采用的数值仿真计算工具多为Fluent、CFX等。

与国外先进水平相比，国内在舰船气流场相关研究方面存在的差距主要体现在：一是缺乏考虑甲板舰载机驻停状态、海水流场、母舰六自由度运动、舰载机自身制造流场等因素的复杂耦合气流场的研究；二是舰载机在起降时，母舰、空气、舰载机三者构成一个实时动力学耦合的整体，这才是“实际”，但目前国内采用的还是上文所述的“非耦合方法”研究思路，偏离了实际；三是对于母舰特征气流场品质的评价，从国外的情况和发展趋势看，应是在实现上述“实时”和“耦合”的基础上，得到舰载机的响应和最终的舰载机起降安全甲板风包络，以安全甲板风包络作为最重要的一个气流场品质评价指标，目前国内的研究还没有深入到这一步。

6 展 望

更真实地揭示现实世界的客观规律是科学研究和建模仿真技术永无止境的追求，实际上，舰船气流场问题是一个多因素耦合的复杂系统问题，如图7所示。目前的所有研究都对该复杂系统进行了不同形式的简化，尤其是国内的相关研究，只是实现了该复杂链路中部分链路的仿真。

图7 舰船气流场问题中各因素的相互关系(舰载机着舰时)Fig.7 Aircraft recovery model

为实现对上述复杂系统愈加逼真的仿真，近年来，在舰船气流场研究领域，学者们试图将耦合气流场(CFD)引入到实时飞行动力学仿真中，即飞行员(自动驾驶仪)-舰载机-气流场-舰船这一完整环路的实时解算，以更真实地模拟舰载机受到的实时气流场的气动力，从而更真实地进行飞行动力学模拟和舰载机起降模拟。理论模型的不完善，以及计算速度的瓶颈，导致目前(从公开的资料看)还没有很好的解决这一问题。2005年至今，英、美等国都进行了相关研究，取得了一些成果。如文献[25]采用并行计算的方法，飞行动力学和CFD并行解算，在每一时间步交换数据。这种并行计算的方法还无法做到完全实时，且容易产生累积误差，所以，适合应用在机-气-舰适配性的离线仿真评估中。英国在21世纪初至今在CFD引入飞行动力学仿真方面做了大量的工作，如利物浦大学于2006-2009年对CFD实时解算飞行动力学问题进行了研究，在加快方程解算速度方面取得了一定的成果[26]；南安普敦大学于2006年开始的基于实时CFD的直升机飞行仿真[27]研究表明：当计算机处理器内核(processor cores)增加到500～1000时，仿真运行达到流畅水平。

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