载机舰船初步甲板风包络的一种建立方法

贺少华　刘东岳　谭大力　刘　平

(海军装备研究院　北京　100161)

载机舰船初步甲板风包络的一种建立方法

贺少华刘东岳谭大力刘平

(海军装备研究院北京100161)

摘要：研究提出一种甲板风包络建立方法，包括流场相似性要求，CFD数值模拟、风洞缩比模型试验、海上实船测试，以及数据的对比，验证和安全甲板风包络的绘制，以某型舰船为例，给出了方法的具体实现示范.该种甲板风包络可以用来指导下一步实际起降飞行试验，降低实际起降飞行试验的成本，提高实际起降飞行试验的安全性，加快最终正式包络线的生成.

关键词：舰船气流场；甲板风包络；CFD 仿真；风洞试验；实船试验

贺少华(1981- )：男，工程师，在站博士后，主要研究领域为工程结构与力学

0引言

在内容丰富的舰机适配性测试与评估中，有一项十分重要的测评工作，称为DI测评(dynamic interface).舰载机起降作业主要是舰-气-机组成的复杂系统的一个动力学行为，飞行动力学与空气流体动力学、舰船运动之间(接口)的适配.DI测评的直接结果为舰载机对应母舰的飞行安全包线，即甲板风包络，对于一型舰载机和一型母舰来说，该舰机组合的安全甲板风包络的获得通常需要经过高成本且十分耗时(一般需要数月的时间)的海上飞行试验，为完成该试验，舰载机需要进行多次起降，如每5 km风速、每15°风向角一种飞行试验工况.对于有多个着舰点的舰船如大型两栖舰艇来说，必须对每一个着舰点进行试验.该试验受飞行员水平、气候条件等不定因素的干扰，此外，安全也是一个大问题.从20世纪90年代开始，以美国海军航空系统司令部、宾夕法尼亚州立大学、安纳波利斯海军学院，英国利物浦大学、南安普敦大学、克兰菲尔德技术学院，以及西班牙、澳大利亚、加拿大等国的研究机构，开始了将CFD数值模拟运用到舰船DI问题即气流场相关问题上来[1-7].

舰船周围的气流场环境非常复杂，且受多种条件影响.陆基飞机起降多在开阔的平地进行，空气流场的湍流水平低，流动稳定；而对于舰载机载在舰上的起降，由于舰船的存在，气流场的湍流强度大，且不稳定，还受舰船运动的影响，对于不同的舰船来说，其气流场特征都是不一样的.舰船在执行航行、作战等任务时，其航向和甲板合成风速不可能只是为了满足舰载机的起降.因此，舰载机多在非最理想的风况中进行起降，但存在一个限制范围(甲板风包络，wind over deck envelope，在GJB 3464-98中被称之为风限图).该限制范围一般不由舰载机设计或使用单位给出，而是由母舰设计或使用单位给出，因为该限制范围更大程度上取决于母舰即舰载机起降环境.舰船气流场特征特别是在飞行甲板空域和舰载机着舰路径上的特征，一般通过缩比模型风洞试验或CFD仿真获得，之后通过实船试验验证前者的准确性；或者直接采用CFD数值模拟，之后通过风洞试验或实船试验验证.基于获得的舰船气流场特征，初步的安全甲板风包络可通过舰船气流场对舰载机的初步影响评估得到，之后通过实际飞行试验来校核，得到最终的安全甲板风包络.典型的甲板风包络图见图1，半径表示合成风速的大小，弧度表示相对舰船运动的风向角，深颜色扇形块表示昼间起降时的安全甲板风包络，加上浅颜色扇形块表示白天起降时的安全甲板风包络.

图1　甲板风包络示意图

本文将提出一种初步的安全甲板风包络建立方法，依据该类安全甲板风包络，下一步可开展实际舰载机起降飞行试验，最终得到该型舰载机-该型母舰组合的安全甲板风包络.

1流场相似性要求

舰船坐标系及各速度关系见图2.

图2　舰船坐标系及各速度关系

设全尺寸模型远场自由来风风速为VT，缩比模型风洞试验入口风速为Vt，两者的速度比为λv=VT/Vt，由于运动学相似要求全尺寸模型和缩比模型各点具有相同的速度比，即Vm/Vp=λv=VT/Vt.因此

2舰船表面粗糙度的考虑

Jensen数 (Je)为量纲一的量数，其定义表达式为：舰船特征长度Lc与表面粗糙尺度(surface roughness length) Z0的比值Je=Lc/Z0，当Jensen 数超过一定值时，一般为2 000[8]，舰船表面粗糙尺度效应与Je无关，即舰船表面边界层效应不会影响缩比不同模型间的验证.典型的舰船表面的粗糙尺度Z0≈10-2m，根据上面的公式，特征长度Lc≈2 m，才能满足Je=2 000,对于舰船来说，特征长度一般在101m数量级，均满足Je>2 000的要求，因此，风洞缩比模型试验中，缩比模型的表面状况不需要模拟实船.

3CFD数值模拟要求

假设CFD数值模拟中，远场来风风速为10 m/s，舰船长度为100 m.风洞缩比模型比为1∶100，风洞入口速度为25 m/s，根据上面推导，假设风洞试验测试时间为10 s，对应的量纲一的量时间数为250.CFD数值模拟相同的量纲一的量时间数，则数值模拟(精确时间求解)时间为2 500 s.根据之前的计算实践，对于500万左右的计算域总网格数，模拟1s的时间在1台12核的计算机上就需要计算1～2 d的时间，全部时间计算下来得几年时间，这还只是一种风况.为得到不同风况时的舰船气流场特征，一般5～40 kn之间每5 kn风速、0°～360°甲板风向角之间每15°风向角一种风况，全部风况计算下来，需要的时间非常漫长，无法工程应用，即使采用现代计算机集群并行计算，需要的计算时间也是十分漫长，不便于工程应用.幸运地是，根据以往研究经验，舰船不稳定气流场的主频为10-1～100数量级Hz左右，CFD数值模拟只需要模拟量纲一的量时间数为100数量级，即约101数量级秒的时间.很显然，由于试验可测量时间长，它对流场不稳定低频的捕捉要优于数值模拟；但是，由于数值模拟的时间步长可以任意的小，而试验测试的采样频率总是有限的，因此，数值模拟对高频的捕捉即对流场中小涡的捕捉能力要更占优.当然，CFL数的限制又使得数值模拟的时间步长不能过小，网格单元过小会增加计算代价.

4缩比模型风洞试验

为模拟不同风向角，在风洞里，舰船缩比模型一般固定在一原形托盘上，托盘设计成可旋转式，每10°角进行一次测量，每个方向角重复测量3次以上，以保证结果的合法性.

数值模拟得到的用于与试验进行对比的无量纲化速度为计算得到的速度平均值除以速度进口风速；风洞试验测得数据的无量纲化方式与数值模拟相同，但是由于自由来流的速度不可能为恒定值，因此，量纲一的量化时的分母为测得的自由来流速度的x,y2个方向平均速度的模.缩比模型风洞试验测得的关注点速度的无量纲化公式为

式中：ulda，vlda为通过LDA测得的关注点的速度平均值；Vt为测得的自由来风平均速度的模.

将速度进行归一化处理，得到关注点2个方向上的速度为

5海上实船测试试验

以风速为10 m/s，甲板风向角0°为例进行说明.实船海上测量一般采用超声风速仪测量舰船包络空间内任意点的速度.按照风洞缩比模型试验数据处理方法，将舰上实测得到的有关值进行无量纲化，公式为

超声风速仪布置时，除在关注点布置以外，一般还需要在舰艏单独布置，以便对实际来风风速进行校核，且其x,y2个方向平均速度的模作为关注点速度量纲一的量化时的分母.布置的高度可先通过数值模拟来决定，应尽量布置在自由来流区域，避免布置在舰艏涡中，见图3a).

图3　舰首超声风速仪布置及风速分布

假设某型舰船经过测量得到舰艏位置900个风速数据(0°甲板风方向)，分布见图3b)，这900个数据从-11.11～-7.76 m/s ，平均速度为9.41 s，均方差为0.51 m/s.在飞行甲板上空关注点位置测得的速度分布图见图4，在x方向，这900个数据从-5.85～0.76 m/s ，平均速度为-2.58 m/s，均方差为1.31 m/s；在y方向，这900个数据从-4.40～4.97 m/s ，平均速度为-0.02 m/s，均方差为1.12 m/s.

图4　飞行甲板空域关注点测量数据

6数据的对比验证

将缩比模型风洞试验数据与海上实船测试数据进行线性回归分析，计算得到Pearson相关系数.某型舰船得到的不同风向角下的缩比模型风洞试验和海上实船试验的某关注点无量纲速度对比见图5；图6为两者的Pearson相关系数，可以看出两者具有很高的相关性(在u向的Pearson相关系数为0.86，在v向的Pearson相关系数为0.99).湍流强度的对比如图7所示，两者的区域是一致的，只是在单个点上存在值的差异，在-30°风向角和+30～+40°风向角时湍流强度较大，最大湍流强度在37%左右.

图5　不同风向角时的?量纲-的量速度对比

图6　风速数据的回归分析

7甲板风包络线的绘制

假设舰载机的安全极限风速为ulim，vlim，根据以上分析，在风向角为φ的条件下，风速上限由以下四种计算风速的最小值决定：

图7　湍流强度对比

即

8结束语

本文提出了一种初步的甲板风包络建立方法，包括流场相似性要求，数据的无量纲化方法，CFD数值模拟、风洞缩比模型试验、海上实船测试及数据的对比验证和初步安全甲板风包络的绘制，以某型舰船为例，给出了方法的具体实现示范.该种初步甲板风包络可以用来指导下一步实际起降飞行试验，降低实际起降飞行试验的成本，提高实际起降飞行试验的安全性，加快最终正式包络线的生成.

参 考 文 献

[1]贺少华, 刘东岳. 载机舰船气流场相关研究综述[J]. 舰船科学技术, 2014, 36(2):1-7.

[2]POLSKY S A. Progress towards modeling ship/aircraft dynamic interface[C]. IEEE Computer Society, HPCMP Users Group Conference, 2006：266-274.

[3]POLSKY S A. Computational analysis for air/ship integration: 1st year report[C]. DoD High Performance Computing Modernization Program Users Group Conference, USA, 2010:321-330.

[4]POLSKY S A,BRUNER C W S. A computational study of unsteady ship airwake[C]. RTO AVT Symposium on “Advanced Flow Management: Part A - Vortex Flows and High Angle of Attack for Military Vehicles”, Loen, Norway, 2001：210-222.

[5]SHARMA A,LONG L N. Airwake simulation on an LPD 17 ship[C]. 15th AIAA Computational Fluid Dynamics Conference, Anaheim, California, 2001:144-152.

[6]LEE D. Simulation and control of a helicopter operating in a ship airwake[D]. Pennsylvania:The Pennsylvania State University, 2005.

[7]SEZER-UZOL N,SHARMA A, LONG L N.Computational fluid dynamics simulations of ship airwake[C]. Proc. IMechE Vol.219 Part G:J. Aerospace Engineering, 2005:321-334.

[8]MORA R B. An experimental helicopter wind envelope for ship operations[J]. World Academy of Science, Engineering and Technology, 2012(8):155-161.

中图法分类号：U674.771

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.011

收稿日期：2014-11-26

A Method to Generate Preliminary WOD Envelope
for Aircraft Landing and Launching

HE Shaohua LIU Dongyue TAN Dali LIU Ping

(NAA,Beijing100161，China)

Abstract：A method to build preliminary wind over deck envelope of aircraft landing and launching aboard battle ship was proposed. Similarity rules and some considerations during results comparison among CFD simulation, wind tunnel test and full-scale test at sea were given. Take a battle ship for an example, ship bow anemometer disposition, histogram of relative wind velocity measured by the bow ship anemometer, histogram of the wind velocity of one concerned point in the airfield, comparison of non-dimensional wind velocities as a function of relative wind angle, regression analysis of wind velocity data, and comparison of turbulence intensity were performed. The preliminary wind over deck envelope proposed could be a guidance to flight test at sea, and quicken the generation of formal WOD envelope.

Key words：ship airwakes；WOD envelope；CFD simulations；wind tunnel test；full-scale ship airwake test at sea