近舰区舰艉流数值仿真研究

孙 颢

(陕西长岭电子科技公司 产品开发部，陕西 宝鸡 721006)



近舰区舰艉流数值仿真研究

孙 颢

(陕西长岭电子科技公司 产品开发部，陕西 宝鸡 721006)

舰船在航行过程中会受到海洋大气环境的影响，导致在舰船艉部会产生舰艉流。在舰载机着舰的过程中，舰艉流的存在会对舰载机产生较大影响，导致舰载机着舰安全性和飞行品质的降低。文中研究了舰载机进舰过程中舰艉流的影响，结合美军标MIL-F-8785C中关于舰艉流的相关说明，在Matlab环境中建立舰艉流模型并仿真舰艉流速度的空间分布，最终得到舰艉流在水平方向和垂直方向产生的总扰动速度。该仿真结果需要实测数据进一步确认。

舰艉流；大气紊流；Dryden模型

SUN Hao

(Product Development Department, Shaanxi Changling Electronic Technology Co. Ltd, Baoji 721006, China)

舰载机在进舰与着舰过程中对其航迹控制有着严格的要求，而航行中的舰船在艉部会产生舰艉流，舰艉流的存在对舰载机着舰航迹的稳定性有较大影响，从而对舰载机着舰安全性造成不利影响。舰艉流特性复杂，难以描述出一个简单而可靠的模型。目前，国内外学者对舰艉流模型的模拟主要有3种方法，即频域方法、数据库法和工程化方法、频域方法适合于线性系统和能以频谱方式给出的紊流，但舰艉流构成复杂，影响因素较多，难以给出通用的频谱模型，一般需要结合实测数据进行分析。数据库法需要大量的舰艉流实测数据的支持以便进行分析。工程化方法主要依据舰艉流的物理特性和成因建立工程化模型，尤其以美军标MIL-F-8785C所描述的模型较为完善，该模型给出了舰船艉流扰动速度的空间分布，适合进行计算机仿真研究。

美军标MIL-F-8785C中的舰艉流模型具有两个突出的特点：即模型的数学描述比较简单，且模型中使用了一些和飞机动力学特性及飞行品质有直接关系的参数。在美军标MIL-F-8785C中规定[1]，进舰着舰中的舰艉流大气总扰动速度主要由4部分组成：海面自由大气紊流分量u1、v1、w1；舰船艉流的稳态分量u2、w2；舰船艉流的周期性分量u3、w3；舰船艉流的随机紊流分量u4、v4、w4。

总扰动分量按下式计算

ug=u1+u2+u3+u4

(1)

vg=v1+v4

(2)

wg=w1+w2+w3+w4

(3)

其中，ug是沿水平方向平移的干扰速度分量，向前为正；vg是沿着竖直方向平移的干扰速度分量，沿驾驶员右手为正；wg是沿垂直方向平移的干扰速度分量，垂直向下为正。

1 海面自由大气紊流

海面自由大气紊流分量是与飞机和舰船相对位置无关的量[2]，呈各向异性，可由白噪声信号输出到滤波器而得到。在美军标中，其空间功率谱模型为Dryden模型[1]，频谱为单边功率谱，其形式为

(4)

(5)

(6)

上式中，空间功率谱的单位为(m/s)2/(rad/m);Ω为空间频率，单位rad/m。

传统的仿真大气紊流的方法是以时间频谱为基础，利用谱分解定理，得到所需的成型滤波器结构，进而生成紊流递归模型[3]。使用传统方法时需要对模型进行简化，以便进行谱分解，但简化的模型其统计特性会受到影响[4]。本文采用空间相关函数，通过建立离散自递归模型的方法进行模拟[5]，最终得到大气紊流仿真的一个片段，如图1所示。

图1 海面自由大气紊流分量

2 舰船艉流稳态分量

舰船艉流的稳态分量是由舰船艉流的静态分量组成，按照美军标MIL-F-8785C的规定[1]，当舰船的运动状态不变时，舰船艉流的稳态分量也保持不变。坐标原点在舰船纵摇中心处，方向向前为正，模拟结果如图2所示。

图2 舰船艉流的稳态分量

从图中可看出，从舰艉开始到距离舰船纵摇中心处约250 m处，为微弱的下洗，而自距离舰船纵摇中心约250 ～750 m处始终是上洗，且相对下洗而言幅度较大，这种气流的变化不利于飞机着舰[6-7]。

3 舰船艉流周期性分量

舰船艉流的周期性分量，是舰船的周期性纵摇和垂荡运动诱导造成的，且随舰船的纵摇角频率ωp、纵摇幅值θ、甲板风速Vwod以及到舰船纵摇中心的距离x而变化，[8-10]可以按照下式[1]计算

u3=θ·Vwod·(2.22+0.00259·x)·C

(7)

w3=θ·Vwod·(4.98+0.0059·x)·C

(8)

(9)

当x<703 m时,u3为0；当x<794 m时,w3为0。式中，u3为水平扰动速度；w3为垂直扰动速度。

假设舰船纵摇幅值为2°，飞机着舰速度V=65 m/s，甲板风速Vwod=18 m/s，p为随机相位，舰船艉流周期性分量模拟结果如图3所示。

图3 舰船艉流的周期性分量

4 舰船艉流的随机紊流分量

舰船艉流的随机紊流分量是由于舰船的存在而造成的随机大气紊流。按照美军标MIL-F-8785C中的规定[1]，模拟这部分舰船紊流分量时，可将伪随机数作为输入，经过一个洗出滤波器去除低频分量，然后乘以单位正弦波将信号谱搬移到期望的频率范围[11-13]，可按照下式[1]计算

(10)

(11)

式中，

(12)

其中，σ(x)为均方根；τ(x)为时间常数，模拟结果如图4所示。

图4 舰船艉流的随机紊流分量

5 舰船艉流完整模拟

综合以上4种分量，设定计算条件为：舰船纵摇幅值为2°；纵摇角频率为0.698 rad/m；飞机速度为65 m/s；甲板风速18 m/s，在舰艉后1 000 m内，距离间隔为1 m，时间t=0.01 s，通过仿真得到舰艉紊流的空间分布，如图5所示。

图5 舰船艉流完整模拟

从图中可以看出，紊流速度纵向分量的变化比较明显，其风速变化特征大致呈现出3个阶段：舰艉后600～1 000 m可为第一阶段，紊流速度横向分量大致在2 m/s范围内，影响不大，自由大气扰动是主要诱因；舰艉后200～600 m可为第二阶段，风速变化呈现出周期性振荡特征，初步断定舰船艉流周期性分量是主要诱因；舰艉后200 m以内为第三阶段，这一阶段的风速变化最具特点，风速从正向迅速变化到负向，风速变化的绝对值可达5 m/s，风速的突变强烈，而这样的风速变化特点是最不利于飞机着舰的，会导致飞行员判断失误，着舰失败。紊流速度横向扰动变化较为温和，风速大致在零值上下抖动，风速变化的绝对值主要在2 m/s以内，影响较小。

紊流速度垂向扰动变化较为剧烈，判断其主要受舰船艉流周期性分量和随机紊流分量的共同影响，舰船艉流周期性分量扰动的量级较大。

6 结束语

舰船艉流是一种受自由大气扰动、舰船运动、海情影响的复杂非定常流场，还与舰船构型尤其是甲板建筑物有关。真实情况的精确模拟只有在大量的实测统计数据基础上才有可能实现。本文从美军标规定的舰船艉流基本组成成分出发进行了模拟仿真，有助于拟合理论曲线与实测结果。

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Research on Numerical Simulation of Air Wake in Aircraft’s Approaching

Air wake will be generated behind the body of the ship which voyages in the sea under the influence of the oceanic atmospheric environment. The existence of the air wake will greatly affect the carrier-based aircraft, resulting in the decline of the safety and the flight quality of the aircraft in its approaching and landing. A ship air wake model is built to study the impacts on the carrier-based aircraft in its approaching and landing where the ship air wake exists, and the spatial distribution of the velocity of the air wake are simulated in Matlab on a PC with reference to the specifications of the MIL-F-8785C standard. The total turbulence velocity of the air wake is finally obtained in horizontal and vertical directions. The conclusion from the simulation of the model needs to be further validated by more experimental data.

air wake; atmospheric disturbance; Dryden model

2016- 02- 13

孙颢(1984-)，男，硕士，助理工程师。研究方向：雷达信号处理，雷达环境建模仿真。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.022

TN391.9

A

1007-7820(2016)10-076-04