基于直升机安全起降条件的城区建筑流场分析

孙朋朋，孙 伟，林永峰，陈金鹤

(中国直升机设计研究所 直升机旋翼动力学重点实验室，江西 景德镇 333001)

基于直升机安全起降条件的城区建筑流场分析

孙朋朋，孙 伟，林永峰，陈金鹤

(中国直升机设计研究所 直升机旋翼动力学重点实验室，江西 景德镇 333001)

采用数值模拟方法得到了典型城区建筑模型附近的流场，结合直升机安全起降条件，分析了不同风速条件和建筑尺寸对建筑附近流场以及直升机城区起降的影响。结果表明，影响直升机起降的建筑附近流场危险紊流区范围与来流速度、建筑尺寸等参数成正比，直升机在城区选择起降地点时应尽量规避建筑顶部及尾流区的局部危险紊流区。最后，根据城区建筑附近流场的特点为直升机在城区安全起降及飞行提出了建议。

直升机；城区起降；数值模拟；飞行轨迹

0 引言

近年来，随着通用航空的发展，直升机在城市中的应用越来越多。直升机能够在空中悬停，可以在无准备场所或楼顶狭小平台起降，这些特点使得直升机特别适合在城区使用，是固定翼飞机和其它交通运输工具所不能替代的。随着国民经济的发展，直升机将会越来越多地用于医疗救护、安全保卫、城区人员接送、旅游观光、交通疏导与管制、高层建筑灭火等，具有十分广阔的应用前景。

然而城区起降环境较为复杂，建筑、树木、车辆等障碍物众多，再加上城市中局部温度不均匀产生的气流，很容易形成旋涡，倒灌风等复杂气流，风向、风速不稳定，严重干扰直升机城区飞行[1]。因此直升机在城区飞行及起降时的安全问题也同时被人们所关注，这也制约了我国民用直升机城市化的进程[2]。因此，开展城区建筑环境的流场特性研究，能够为直升机在城区复杂环境下飞行和起降提供参考，具有重要意义。

对于城区流场环境的研究，国内外学者都开展了一系列的工作。Michael J. Brown等采用风洞试验方法，研究了不同建筑阵列下的流场特征[3]。A. Baskaran等采用数值计算方法得到建筑模型三维流场后，与已有风洞试验结果进行了对比验证[4]。Mark Sutherland等采用大涡模拟计算了城区单一建筑周围流场[5]。Cheng Hsin Chang等采用数值计算方法研究了不同建筑间距离对城区气流特性的影响[6]。J. A. Peterka等对单一建筑模型尾流流场特征的研究进行了论述[7]。

国内近年来也对城区建筑环境流场的流动特性进行了相关研究，主要为计算方法的验证和优化，以及流场流动特性的定性研究，如马剑[8]、陈义胜[9]、王远成[10]等，而对直升机起降环境流场影响的研究相对较少。

城区主要组成元素以立方柱形高层建筑为主。本文应用CFD方法，针对典型城区建筑简化模型，通过城区环境建模、网格划分以及计算求解，得出建筑尾流场的流动特性。在结果验证的基础上，进一步研究了风速大小、建筑模型尺寸对紊流区尺度的影响特性，为直升机城区起降时的飞行轨迹选择提出了建议。

1 数值计算方法与验证

采用FLUENT流场计算软件，通过求解三维雷诺平均N-S方程，对单一建筑简化模型流场进行求解计算。计算模型及坐标如图1所示。模型长L=0.1 m，宽W=0.18 m，高H=0.36 m。计算网格采用粘性结构网格，总网格数为424万，建筑模型附近网格进行局部加密，附面层网格最小间距小于10-4m，如图2所示。进行计算时，来流给定远场边界条件，地面、建筑壁面均采用无滑移的绝热边界条件，粘性系数由Sutherland关系式确定，采用二阶迎风格式对控制方程对流扩散项进行离散，湍流模型选用Realizable k-ε 模型。

为验证计算模型的有效性，在相同工况条件下，将同一建筑模型绕流流场的数值计算结果与已有的PIV试验结果[2]进行了对比。建筑背风侧的紊流区中存在反流区(分速度Ux<0)，因此不妨以尾流区流向速度Ux=0 m/s为特征速度边界，作为对比对象。图3给出了9 m/s来流速度下模型尾流区速度边界(Ux=0 m/s)计算与试验结果的对比。由图3可知计算值与试验值在速度边界尺度上符合较好。

2 宽高比对尾流区紊流范围的影响

国外相关文献结果[11]表明，高楼周围气流紊流影响范围最大的位置与高楼的长、宽、高尺寸有关。高楼后的尾流场区域范围的大小与高楼的宽度和高度比值有关。

固定模型在来流方向的长度L和高度H，改变建筑宽高比W/H大小以研究其宽度和高度方向尺寸对尾流场边界的影响。来流速度为9 m/s，W/H分别为2、4、6、10，风速方向为沿x轴正方向，垂直于模型表面。

采用与方法验证相同的对比方式，得出了不同宽高比下模型尾流场的横向剖面(Z=0.1H)和纵向剖面(Y=0)的特征范围，如图4、图5所示。由图4可知，随着模型宽高比增加，尾流场特征范围明显增大，即其紊流影响范围逐渐增大。

图5给出了在纵向剖面的计算结果。可以看出随着宽高比的增加，建筑紊流区速度边界也明显增大，即紊流区影响范围与建筑模型宽高比成正比例关系。

3 风速对尾流区紊流范围的影响

来流风速大小也是建筑尾流区紊流影响范围的关键因素。采用同一种建筑模型，计算了在来流速度为4 m/s至18 m/s工况下的建筑尾流流场。图6给出了不同来流速度的建筑模型尾流流场的特征速度边界(Ux=0m/s)。可以看出，随着风速增加，建筑尾流区特征速度边界逐渐增大。可见，一定尺寸的建筑模型，其尾流区紊流范围大小与来流风速也成正比例关系。

4 流场特征对直升机起降的影响

直升机在紊流区起降时，不稳定气流直接作用在直升机桨叶上，产生非定常脉动载荷，严重影响直升机的飞行性能和操纵特性，增大了飞行安全风险。直升机周围气流的湍动能和竖直方向速度是直升机起降主要的流场限制条件[12]。英国CAP 437标准规定直升机起飞和降落区域竖直方向速度的标准方差不能超过1.75 m/s[13]。数值模拟时采用k-ε模型，基于各项同性假设，则湍动能k不大于4.59m2/s2。

图7给出了来流速度为9 m/s条件下的湍动能限制区域，图中用红色线标出。由图7可以看出，在该条件下湍流限制区域(湍动能大于4.59m2/s2)主要在建筑迎风面壁面附近、建筑顶部以及建筑尾流的局部区域，而在背风侧壁面附近湍动能相对较小。直升机若在建筑顶部起降或者在建筑上方附近飞行时，会受到较强湍流的影响。为了维持直升机飞行的稳定，飞行员飞行负荷将会增大，非常不利于飞行安全。

竖直方向气流速度将影响直升机桨叶有效迎角。当直升机周围竖直方向气流速度增大，或进入涡流区时，直升机会受到一个方向的冲力，使直升机突然前冲或偏航，从而直接危及直升机的飞行安全。直升机安全起降的竖直方向速度一般不应大于2.5m/s，如某用于海上钻井平台直升机，飞行负荷等级及评价值(HQR)为6.5时，即介于危险和不危险之间，气流竖直方向分速度应不大于2.4 m/s[13]。因此我们不妨取2.4 m/s作为限制区域的边界。

图8给出了来流速度为9 m/s条件下的竖直方向速度限制区域。可以看出，飞行限制区域主要是在建筑顶部前侧附近和背风侧壁面附近，在距离建筑稍远的尾流区竖直方向气流速度较小，且限制区域中竖直方向的速度为正，为上冲气流。若在该气流条件下选择在建筑顶部起降，直升机飞临建筑物上方区域时会感受到明显的上冲力，使得机体姿态和高度发生变化。因此，飞行员应操控直升机快速通过这一区域，同时做好相应的准备。

由前文可知，当风速增大时，城区建筑周围湍流区范围也将增大。图9给出了来流风速为12 m/s条件下模型附近流场的湍动能分布云图。可以看出，随着来流风速的增加，湍动能的限制区域变得更大，尤其是在建筑尾流区，限制区域向尾流区上游和下游延伸。这同样也证明了建筑尾流区紊流范围随风速的增大而增大。同时，风速增大后飞行限定区域由之前的在建筑尾流区距离地面较高的区域逐步发展到地面附近。因此，直升机在背风侧建筑附近起降是十分危险的。为了避免增加飞行员的操控难度和飞行风险，直升机在尾流区时应选择与建筑更大距离的位置起降。

图10为风速为12 m/s条件下竖直方向气流分速度的分布云图及飞行限制区域，图中用红色标记标出。对比图8和图10可知，随着来流速度的增加，建筑上方的限制区域以及背风侧壁面附近的限制都进一步增大。此外，在建筑尾流区，气流下洗速度也逐渐增大，形成飞行限制区。直升机进入该区域将受到下洗气流影响，出现突然下降或突然前冲等现象，对直升机城区飞行安全带来极大的威胁。

速度等值线的疏密程度可反映出流场速度梯度的大小。由图10可知，建筑附近流场速度梯度较大的区域主要集中在建筑顶部上方，其次为建筑背风区域。这是由于来流在越过建筑顶部时，空间流管收缩，流动速度迅速增加，产生较大的速度梯度；在气流流过建筑后，流管又发生扩张，速度迅速降低，继而产生一个较大的负向的速度梯度。直升机旋翼周围的气流速度梯度过大时，会使旋翼受力不均，导致操控难度增大。

选取图9和图10中限制区域流向范围最大的位置做横向剖面。图11和图12分别给出了横向剖面的竖直方向速度云图和湍动能云图，并给出了飞行限制区域。由图11可知，限制区域主要在背风侧建筑壁面附近以及尾流区下游局部区域，其中建筑附近限制区域因受到建筑两侧加速气流的影响，呈现两侧大于中间的“马鞍”形区域。由图12可知，尾流区很大一部分区域均为限制区域；同样受建筑两侧加速气流影响，限制区域呈中间小两侧大的形状。另外在限制区域两侧边缘的湍动能最强且变化剧烈，因此，直升机穿过湍动能区是十分危险的。

对比图11和图12可得，直升机起降的流场限定条件里，湍动能限制区域大于竖直分速度限制区域，湍动能为主要限定条件，且影响区域主要集中于建筑背风侧。因此直升机在规划航线，选择降落地点时，应尽量避开该影响区域。

5 结论

采用FLUENT软件，计算并分析了城区建筑模型的紊流区域范围与模型建筑尺寸及来流风速的关系，并结合直升机起降限制条件分析了直升机在建筑尾流区起降的危险区域。通过分析研究得到如下结论：

1)建筑尾流紊流区影响范围随来流风速的增大而逐渐增大；

2)建筑尺寸对尾流紊流区影响范围影响较大，且与建筑宽高比大小成正比；

3)直升机在建筑顶部飞行或起降时应注意上冲气流的影响，在建筑尾流区起降时应尽量避开湍动能限制区域。

需要说明的是，方柱绕流是一种钝体绕流，尾流流场是非定常的。本研究采用定常状态的平均流动模拟非定常的瞬态流动是为了从整体上研究流场环境，方便得出影响规律以及对直升机起降的影响。采用非定常方法研究建筑尾流流场，并耦合直升机旋翼气流，进而对建筑周围气流环境进行定量描述将是我们下一步的工作。

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[2] 孙 伟,孙朋朋,林永峰.直升机典型城区环境流场计算与试验[J].南京航空航天大学学报, 2016,48(2):218-223.

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[13] Offshore helideck environmental research[J]. CAA Paper, 2008.

AnalysisSimulationofUrbanBuildingFlow-fieldbasedontheSafetyConditionsofHelicopterTakingOffandLanding

SUN Pengpeng, SUN Wei, LIN Yongfeng, CHEN Jinhe

(Science and Technology on Rotorcraft Aeromechanics Laboratory,China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

The flow-field of typical urban building area was obtained by numerical simulation method. Helicopter taking off and landing conditions were concerned to analyze the influence of different weather factor (wind velocity) and the size of building on the urban helicopter taking off and landing. Results showed that the dangerous range of turbulent flow area near the urban building, which had influence on helicopter taking off and landing, was basically direct ratio to the wind speed and building size. We should avoid the dangerous range of turbulent flow in the top and wake region of building when helicopter choose landing location in urban area. Finally, according to the flow feature near the urban building, some suggestion were given to the select of flight trace.

Helicopter; urban helicopter takeoff and landing; Numerical simulation; Flight trace

2017-10-10

本文由民机科研项目——民用直升机城区起降环境流场飞行特性研究资助(MJ6.1.9)。

孙朋朋(1989-)，男，山东德州人，硕士，工程师，研究方向：直升机空气动力学。

1673-1220(2017)04-001-05

V211.3

A