基于CFD技术的滑跃甲板对起飞区流场影响的数值模拟

岳奎志，程亮亮，刘 冲

（1.海军航空大学，山东 烟台，264001；2.91599部队，山东 莱阳，265200）

0 引言

对于没有弹射器的航母来说，采用滑跃甲板可以使舰载机进行滑跃起飞。滑跃起飞是固定翼舰载机在自身发动机的推力作用下，借助滑跃甲板，实现离舰的起飞方式。滑跃甲板给舰载机提供了1个初始的离舰迎角和1个俯仰角速度。舰载机在航母上滑跃起飞过程，一般包括水平滑跑段、滑跃滑跑段、离舰、带侧滑爬升、爬升5个阶段。其中，滑跃滑跑段就是舰载机借助滑跃甲板（长约60 m）来实现滑跃起飞的阶段。

固定翼舰载机在起飞时，航母逆风行驶。由于作用力与反作用力的影响，航母行驶产生相对气流，再与自然风进行矢量合成，得到1 个合成风。合成风给舰载机提供了1个10～15 m/s的附加空速，合成风通常是12～13 m/s，约45 km/h。固定翼舰载机离舰瞬间，相对于航母的初始地速为140～150 km/h，再加上45 km/h 合成风，此时，舰载机离舰的初始空速约为190 km/h。在发动机推力下，加上初始的离舰迎角、初始的俯仰角速度，舰载机3 s内快速增速、不掉高度且能够爬升。当空速超过230 km/h后，达到舰载机有舵效、可操纵的状态，从而实现舰载机滑跃起飞。

航母逆风行驶得到的合成风，除了产生附加空速的积极作用外，还带来一定的影响。合成风经过舰艏滑跃甲板，会产生滑跃甲板脱体涡。脱体涡对起飞区舰载机的发动机会产生影响，有时会发生喘振现象。舰载机起飞时，如果发动机喘振，会导致推力不足，舰载机离开滑跃甲板后，可能出现掉高度现象，甚至坠海。因此，有必要研究滑跃甲板对起飞区流场的影响，探索其科学规律，分析影响范围、影响程度，为分析舰载机滑跃起飞喘振特情提供科学依据。

1 研究现状

国内外专家学者对于航母甲板风的研究有很多。Polsky 对两栖攻击舰（LHA）和核动力航母（CVN）模型进行了一系列的计算，其研究了雷诺数无关性和马赫数无关性，表明网格质量对分离区流动的预测至关重要[1-3]；还有一些文献对舰船的耐波性和自由液面的精确模拟进行了研究[4-5]；Crozon利用HMB2代码计算了旋翼和加拿大巡逻舰船的相互干扰，对比了激励盘模型和真实桨叶的差别，表明利用定常计算的激励盘模型可以较好地预测流场的主要特征[6]；李旭采用嵌套网格技术对航母处于垂荡状态下无人机的着舰进行了模拟，研究航母尾迹流场对舰载机着舰的影响[7]；鲍锋以“辽宁”舰的缩比模型为研究对象，在水槽中研究其尾流结构，利用染色液流动显示技术和粒子成像测速技术，显示和测量航母的尾流结构随航向角、流速和关键位置的变化[8]；贲亮亮在文献中，以尼米兹级航母为研究对象，建立简化三维数模，并对舰载机进舰轨迹进行流场仿真[9]；於菟以“库兹佐涅夫”号航母为研究对象，通过数值模拟对比探讨了网格类型、网格密度以及湍流模型对气流场数值的影响，并分析了关键位置的流场变化及其对舰载机气动特性的影响[10]；郭佳豪基于准确地捕捉流场中涡的生成和脱落的DES 方法，对航母空气流场进行模拟，发现航母舰岛、甲板等钝体边缘产生相互干扰的复杂涡系，其导致舰载机进舰轨迹上出现强烈的周期性速度波动[11]；苏轼鹏以美军的“雄鸡尾流”模型为参考，采用实验方法，测量航母模型下滑道的空气尾流场，分析其规律特征以及舰岛对下滑道的影响[12]；李旭针对航母尾迹对舰载机着舰过程气动特性的影响，采用嵌套网格的方法，对无人机在不同风向下的着舰过程进行了数值模拟[13]；寇亚军基于计算流体力学技术，数值模拟航母横摇、纵摇甲板流场情况，得到不同风向对飞行甲板空气流场特性的影响[14]；李新飞基于飞行动力学理论，考虑航母流场特点，研究舰载机起降动力学[15]。

虽然国内外专家对航母流场的研究已经较为深入，但在其他方面仍有待进一步挖掘，例如，逆风行驶的航母，其滑跃甲板产生的流场对舰载机起飞性能的影响，尤其是滑跃甲板两侧脱体涡对舰载机发动机稳定工作的影响。航母舰艏滑跃甲板两侧的脱体涡是由舰艏滑跃甲板上下表面的压差导致的空气横向流动，与空气相对航母滑跃甲板的纵向流动在脱离滑跃甲板后所合成的螺旋状流动。舰载机滑跃起飞时通常开加力，如果流场使发动机发生喘振，导致发动机性能下降，舰载机起飞滑跑阶段因推力不足，导致加速度减小，进而离舰时速度小。在这种情况下，舰载机离舰时，其升力不能平衡自身重力，舰载机有可能掉高度，甚至坠海。因此，有必要研究滑跃甲板的流场对起飞区的影响，探索科学规律，为滑跃起飞特情分析提供技术支撑。

2 理论依据

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是流体力学、数值分析和计算机科学结合的产物。本文采用CFD技术，对航母空气流场进行数值模拟。在空气流场数值模拟过程中，湍流模型采用标准的k-ε方程，流体力学控制理论采用三维N-S方程。

湍流模型的标准k-ε方程为[16-17]：

控制理论的三维N-S方程为[18-19]：

式（1）～（5）中：ρ是流体密度；k是湍动能；t是时间；ui是时均速度；μ是流体动力黏度；μt是湍动黏度；σk是与湍动能k对应的Prandtl 数；Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb是由于浮力引起的湍动能k的产生项；ε是湍动耗散率；YM是湍流中脉动扩张的贡献；Sk是用户定义的源项；σε是与耗散率ε对应的Prandtl 数；C1ε、C2ε和C3ε是经验常数；Sε是用户定义的源项；u是速度矢量；u、v和w是速度矢量u在x、y和z方向上的分量；p是流体微元体上的压力；div()⋅是散度；grad()⋅是梯度；Su是动量守恒方程u方向的广义源项；Sv是动量守恒方程v方向的广义源项；Sw是动量守恒方程w方向的广义源项。

3 模型建立

图1为参照俄罗斯“库兹涅佐夫”号航母所绘示意图，其中，1、2、3号起飞位如标注所示。参考该航母形状，利用CATIA 软件，概念设计带滑跃甲板的斜直两段式飞行甲板的航母，因为该航母为常规蒸汽动力航母，所以舰岛偏大，并且舰岛内部有排烟系统。概念设计航母基本设计几何模型如图2 所示，其参数数据如表1所示。

表1 概念航母设计数据Tab.1 Design data of the conceptual carrier

图1 俄罗斯“库兹涅佐夫”号航母示意图Fig.1 Sketch map of the Russian aircraft carrier USS Kuznetsov

图2 概念航母模型Fig.2 Conceptual model of the aircraft carrier

采用Workbench软件Geometry模块，将概念航母的3D模型导入该模块，并生成航母流场空间，截去航母海面以下部分，留下空气流过航母的流场空间。

由于空气具有黏性，再加上航母表面并不光滑，尤其是飞行甲板表面粗糙，所以空气流过航母时，须考虑边界层的影响。本节采用Workbench 软件Mesh模块，在航母流场网格生成时，边界层设定为5 层，采用非结构的四面体网格方法，将该空间生成网格。气流流过航母的流场网格数量为16 232 733 个，航母四面体网格情况见图3。

图3 航母四面体网格Fig.3 Tetrahedron grid of the carrier vessel

4 流场特性数值模拟

生成航母流场网格后，进行流场特性分析。

本节采用Workbench 软件Fluent 模块，基于CFD理论，分析航母滑跃甲板对起飞区流场特性的影响。

因为航母在大海上航行，所以本文分析航母在海平面的空气流场特性。在进行CFD 求解航母滑跃甲板对起飞区流场特性的影响过程中，在模型设置选项中湍流理论采用标准的k-ε方程，而流体力学控制理论采用三维N-S 方程。空气流场的初始条件设置如下：1）大气流场入口流体为空气，在海拔0 km海上的大气密度为1.225 kg/m3，压力为101 325 Pa，声速为340 m/s，黏性系数为1.789 4×10-5( N∙s) /m2；2）大气流场入口速度为12 m/s；3）大气流场出口为自由出流；4）烟囱排烟的初始速度为30 m/s；5）航母飞行甲板的粗糙度尺寸设为0.005 m；6）由于有海浪，海面粗糙度尺寸设为1 m。

经Fluent模块的数值模拟，可以得到：航母滑跃甲板流场纵向气流流线图，见图4；滑跃甲板流场速度法洗区速度等值面图，见图5；滑跃甲板流场速度切洗区速度等值面图，见图6；航母流场纵向速度云图，见图7；航母流场纵向速度云图与流线图，见图8。

图4 航母滑跃甲板流场纵向气流流线图Fig.4 Longitudinal airflow field of the ski-jump of the carrier

图5 法洗区速度Vz为-2～+2 m/sFig.5 Velocity of normal-wash zone is -2～+2 m/s

图6 切洗区速度Vy为-4～+4 m/sFig.6 Velocity of tangential-wash zone is -4～+4 m/s

图7 航母流场纵向速度云图Fig.7 Longitudinal velocity cloud map of airflow flow field of the carrier

由图4可知，航母滑跃甲板流场对起飞区的影响，可分成2个部分：1）舰艏滑跃甲板上方边界层分离区对舰载机滑跃滑跑的影响；2）滑跃甲板两侧脱体涡对1、2、3号起飞位舰载机发动机进气量的影响。滑跃甲板流场对起飞区的影响，具体分析见图5～8。

由图5 可知，航母飞行甲板法洗区速度等值面情况。图中：棕黄色的区域为上洗速度，其值为+2 m/s；蓝色区域为下洗速度，其值为-2 m/s。由o-xyz坐标系可知：+2 m/s 的法向速度，表示垂直于飞行甲板向上的速度值；-2 m/s 的法向速度，表示垂直于飞行甲板向下的速度值。

由图6 可知，航母飞行甲板切洗区速度等值面情况图中：棕黄色的区域为向右切洗速度，其值为+4 m/s；蓝色区域为向左切洗速度，其值为-4 m/s。由o-xyz坐标系可知：+4 m/s 的切洗速度，表示平行于飞行甲板向右的速度值；-4 m/s 的切洗速度，表示平行于飞行甲板向左的速度值。

由图5、6可知，在舰艏滑跃甲板后，空气流场有法洗速度和切洗速度，正好影响滑跃起飞跑道的1、2和3号起飞位的舰载机发动机进气量。

由图7 a）可知，在飞行甲板1、2号起飞位附近，在航母纵轴100 m 处的横截面上，空气流场纵向速度分布规律为：航母空气流场主流速度为12 m/s，滑跃甲板两侧脱体涡内层的纵向速度约8 m/s，外层的纵向速度约10 m/s。滑跃甲板两侧脱体涡，正好影响1、2 号起飞位的舰载机发动机进气量。此时，滑跃甲板两侧脱体涡：如果是稳定的脱体涡气流，对发动机的进气量将不产生恶变影响；如果是不稳定的、脉冲式的脱体涡气流，将会对发动机的进气量产生恶变影响，可能会使发动机发生喘振，影响起飞性能。

由图7 b）可知，在飞行甲板3号起飞位，在航母纵轴190 m 处的横截面上，空气流场纵向速度分布规律为：航母空气流场主流速度为12 m/s，滑跃甲板左侧脱体涡的纵向速度约10 m/s。滑跃甲板左侧脱体涡，正好影响3号起飞位的舰载机发动机进气量，但不像1、2号起飞位那样强烈。

由图8 可知航母流场纵向速度与流线分布规律。图8 a）中，在滑跃甲板离舰艏纵轴10 m 处的横截面上，空气流场有倒流，部分区域速度为负。这是因为相对气流流过滑跃甲板后，由于空气具有黏性，另外滑跃甲板流场变成扩张段导致逆压梯度增大，在舰艏处边界层分离，下方大量倒流而上的气流和上方顺流而下的气流相遇，并被主流卷走，产生大量的涡流。图8 b）中，在滑跃甲板离舰艏纵轴50 m 处的横截面上，空气流场没有倒流，只是纵向速度有点小，此处的涡流已被主流卷走并破裂、衰减，最后消失。由于舰载机滑跃起飞，在滑跃甲板滑跑段持续时间短，为2 s左右，所以，滑跃甲板舰艏边界层分离产生的涡流，对滑跃起飞影响有限，可以忽略。

由图8 可知滑跃甲板两侧脱体涡的流线分布规律。由图8 c）可知，在1、3 号起飞位附近的滑跃甲板两侧脱体涡，正好影响舰载机发动机的进气量。滑跃甲板左侧脱体涡正好影响1 号起飞位区域，从后视图看左侧脱体涡顺时针旋转；滑跃甲板右侧脱体涡正好影响2 号起飞位区域，从后视图看右侧脱体涡逆时针旋转。以滑跃甲板左侧脱体涡为例，分析其对1 号起飞位的影响。此时，滑跃甲板左侧脱体涡，如果是稳定的顺时针脱体涡气流，对发动机的进气量将不产生恶变影响；如果是不稳定的、脉冲式、顺时针转速时大时小的脱体涡气流，将会对发动机的进气量产生恶变影响，可能会使发动机发生喘振，影响起飞性能。不稳定的脱体涡，一般是在小舰速、大自然风速下，产生合成甲板风的情况下出现的。例如，当7～8 m/s 的自然风，与航母逆风行驶以5 m/s 舰速产生的相对气流相合成，得到12～13 m/s 的合成风，此时就是小舰速、大自然风情况。由于大自然风占合成气流的比重较大，又由于自然风不稳定，风速有脉动，所以在小舰速、大自然风情况下，合成的甲板风经滑跃甲板产生的左侧不稳定的脱体涡对1号起飞位的舰载机发动机进气量影响较大，可能使发动机发生喘振。滑跃甲板右侧脱体涡对2号起飞位的影响也是如此。由图8 d）可知，在3号起飞位附近的滑跃甲板左侧脱体涡，也影响舰载机发动机的进气量。虽然3号起飞位在舰岛左侧，但当合成逆风在12 m/s时，3号起飞位并不受舰岛风场的影响，只受到滑跃甲板的脱体涡影响。

5 结论

本文对航母空气流场进行数值模拟，分析滑跃甲板对起飞区流场的影响，得出以下结论：

1）舰艏滑跃甲板的两侧脱体涡对1、2、3 号起飞位的舰载机发动机进气量有影响；

2）在舰载机起飞时，航母逆风行驶产生合成甲板风在12 m/s 标准流场流速附近时，舰岛的湍流对3 号起飞位的舰载机发动机进气量没有影响；

3）滑跃甲板舰艏边界层分离产生的涡流，对滑跃起飞影响有限，可以忽略。

因此，舰艏滑跃甲板的两侧脱体涡是影响起飞位的舰载机发动机发生喘振的航母流场主因。