航母甲板风对舰载机进舰轨迹流场影响分析

贲亮亮，魏小辉，刘成龙，浦志明，尹乔之

(南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210016)

0 引言

随着时代的发展，航母的重要性日益凸显，舰载机作为航母的主要攻击武器，其重要性不言而喻。然而舰载机的着舰环境恶劣，尤其是舰船的舰尾流场对飞机着舰影响很大，是困扰舰载机安全着舰的关键因素之一。

目前，不少研究者对舰尾流场进行计算研究。耿建中等认为雄鸡尾流是舰尾流的主要组成部分［1］;彭兢等在Matlab环境中模拟了舰尾流的速度空间分布［2］;陆超等利用缩比模型对舰面空气流场进行了CFD数值模拟，并得出在定常条件下利用缩比模型对舰船舰面空气流场的CFD数值模拟计算可不考虑相似准数的影响［3］;Shawn H.Woodson等利用CFD技术及风洞实验2个方面介绍了直升机在驱逐舰上的运作［4］;Susan Polsky等则利用CFD技术及实验数据分析比较了驱逐舰降落甲板附近的气流特性［5］。

本文基于Ansys软件，对“尼米兹”级航空母舰的舰尾气流进行仿真计算，并对不同风速和风向角下舰载机进舰轨迹上的流场特性进行分析。

1 建立流场仿真分析模型

1.1 选取参考模型

选取的参考模型是美国“尼米兹”级航空母舰的三维简化模型。建立的“尼米兹”级航空母舰水线以上简化三维模型如图1所示。模型以舰尾方向为x轴方向，以航母右舷方向为y轴方向，以垂直于舰面向上为z轴方向。

图1 “尼米兹”级航空母舰水面线上简化三维模型Fig.1 Simplified 3D model of the nimitz-class carriers on the water

1.2 流场仿真网格划分

基于Ansys软件采用结构化网格对整个流场分析区域进行网格划分。远场取10倍航母特征长度。本算例网格数量170万，如图2所示。

图2 本算例的网格示意图Fig.2 Diagram of the mesh in this example

2 舰载机的进舰轨迹

建立的航母模型斜角甲板角度为10°，长240 m，宽22 m，理想着舰时舰载机是以沿斜角甲板方向并与水平面成4°的夹角飞行，成功着舰时尾钩勾住第2根拦阻索 (本文不考虑舰面的运动，设定舰面为水平)。进舰轨迹以理想着舰点 (第2根和第3根拦阻索中心位置)为原点，沿着斜角甲板中心线与舰面成4°角向后延伸至800 m处［6］，如图3所示。

图3 舰载机理想进舰轨迹示意图Fig.3 Diagram of the ideal landing trajectory of carrier-based aircraft

3 数值模拟计算及结果分析

3.1 流场的边界条件设定

“尼米兹”级航母航速一般为30 kn(约合15 m/s)，加之海面的风力一般在0～25 m/s范围内，所以甲板风初步认定在0～40 m/s范围之内。由于速度数值较小，因此在Fluent软件中采用基于密度的SIMPLE算法，入流面采用速度入口，出流面采用压力出口。海面设置为滑移壁面，湍流模型采用S－A湍流模型［7］。

3.2 计算结果分析

为具体分析不同风速和风向角下舰载机进舰轨迹上的流场特性，本文分别从相同风向角不同风速和相同风速不同风向角2个方面进行分析。

3.2.1 相同风向角不同风速下的结果分析

由于甲板风的范围在0～40 m/s范围内，本文采用以下4种工况进行对比分析:

1)甲板风为7 m/s，风向角为0°;

2)甲板风为15 m/s，风向角为0°;

3)甲板风为25 m/s，风向角为0°;

4)甲板风为40 m/s，风向角为0°。

对进舰轨迹上的气流场进行取值，并沿着着舰轨迹绘制垂向(z轴方向)和侧向(y轴方向)的速度曲线图，结果如图4所示。

表1 在0°风向角不同风速下进舰轨迹上的最大及最小垂向速度Tab.1 Maximum and minimum vertical velocity of the ideal landing trajectory with different wind speed under 0°wind angle

图4为理想进舰轨迹上0°风向角不同风速下垂向及侧向速度分布。表1列出了0°风向角不同风速下进舰轨迹上最大及最小垂向速度。

从图4(a)中可以看出，在不同的甲板风速下，垂向速度走势基本一致，气流在进舰轨迹末尾阶段有明显的下洗现象，这是由于舰尾空气稀薄，气流在流经舰尾平坦尾突后，向下进行补充形成的;从图4(b)中可以看出，当甲板风为7 m/s和15 m/s时，侧向速度走向一致，且变化幅度较小;而当甲板风达到25 m/s和40 m/s时，侧向速度变化明显，且甲板风越大，变化越剧烈，系因气流在舰尾拖出的漩涡造成。

从表1和图4可以得出以下结论:

图4 理想着舰轨迹上0°风向角不同甲板风速下进舰轨迹上的垂向、侧向速度分布Fig.4 Velocity profile of the ideal landing trajectory with different wind speed under 0°wind angle

1)进舰轨迹上，垂向速度走势基本一致，但峰值随着甲板风的增加而增大，当甲板风速达到25 m/s时，峰值变化减弱。

2)由于垂向速度在进舰轨迹末尾阶段急剧下降，因此舰载机在进舰末尾阶段应注意增大迎角，防止撞舰。

3.2.2 相同风速不同风向角下的结果分析

为具体分析风向角的变化对进舰轨迹上气流场的影响，本文选定以下4种工况进行对比分析:

1)风向角为0°，甲板风为15 m/s;

2)风向角为15°(以沿x轴方向逆时针为正)，甲板风为15 m/s;

3)风向角为30°，甲板风为15 m/s;

4)风向角为60°，甲板风为15 m/s。

图5为进舰轨迹上15 m/s来流不同风向角下的垂向、侧向速度分布。表2列出了在不同风向角下着舰轨迹上最大垂向风强度和最大侧向风强度。

结合图5和表2可以看出，在不同的风向角下，垂向速度走势相似，但峰值相差较大;在有风向角的工况下，侧向速度峰值变化明显，且随着风向角的增大，峰值也随之增大。

表3为舰载机在不同的进舰条件下允许的侧风强度［8］。

图5 理想着舰轨迹上15 m/s甲板风不同风向角下进舰轨迹上的垂向、侧向速度分布Fig.5 Velocity profile of the ideal landing trajectory with different wind angle under 15m/s wind speed

表2 15 m/s甲板风不同风向角下进舰轨迹上最大垂向风强度和最大侧向风强度Tab.2 Maximum vertical and lateral wind strength of the ideal landing trajectory with different wind angle under 15 m/s wind speed

表3 舰载机在不同的进舰条件下允许的侧风强度Tab.3 Allowable lateral wind strength of carrier-based aircraft under different landing conditions

从表3可以看出，在0°风向角时，由于最大侧向风强度只有0.29 m/s，飞机通过自身的航向稳定性就能抵御侧风影响，不需要驾驶员的操作;而当风向角在15°和30°的时候，侧向风强度分别达到了3.81 m/s和7.81 m/s，因此在有驾驶员操纵的情况下允许着舰，但应注意强侧风的影响，随时调整偏航角，保证飞机正常着舰;而当风向角达到60°时，侧向风强度达到13.9 m/s，超出了允许的侧风强度，舰载机在此工况下难以安全着舰。

3.3 图像结果分析

为了更直观的分析不同速度和风向角下舰载机进舰轨迹上的气流影响，本文利用Ensight的三维流线显示功能对该舰尾区域进行显示。

图6为不同甲板风和风向角下的三维流场图。

图6 不同甲板风和风向角下的三维流场图Fig.6 3D flow field chart with different wind speed and different wind angle

从图6可以看出，15 m/s甲板风0°风向角时，经过航母的流线较为光顺，舰尾气流有明显下洗迹象;而在40 m/s甲板风0°风向角时，气流在经过航母特别是上层建筑时，流线有明显的波动;在15 m/s甲板风30°风向角时，可以看到气流在经过航母后在舰尾形成漩涡，舰尾气流扰动严重。

4 结语

本文建立了“尼米兹”级航空母舰的舰尾气流仿真分析模型，并进行流场仿真。分析了不同风速和风向角下舰载机进舰轨迹上的流场特性。分析表明:

1)在不同风速和风向角的情况下，舰载机进舰轨迹上垂向风走势基本一致，在进舰轨迹末尾阶段有明显的下洗现象，且峰值随着风速和风向角的增大而增大。舰载机进舰时，驾驶员应注意增大迎角，防止撞舰。

2)侧向风随着甲板风的增加而震荡加剧，且风向角越大，侧向风峰值也随之增加。舰载机进舰时，驾驶员应协调副翼和方向舵，使飞机保持一定的侧滑角和滚转角;且由于舰载机所能抗御的最大侧风风速是一定的，必须保证进舰过程中的侧风强度在允许范围内。

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