舰船甲板气流场对人员作业安全性影响分析

崔鲁宁，贺少华

(中国人民解放军92942 部队)

0 引言

舰载直升机在舰船甲板进行起降作业时，甲板作业人员一方面会受到舰船横摇、纵摇、垂荡等作用下产生的惯性力，另一方面会受到耦合流场下的气动力，进而对人身安全产生威胁。目前舰船甲板气流场主要有三种研究途径：实船测量、风洞试验和数值模拟（CFD）[1]，其中实船测量和风洞试验[2-5]是早期舰船甲板流场研究的主要手段。实船测量可以获得最真实的流场数据，但是由于受到海上试验条件的诸多限制以及其他不确定因素的影响，能够获得的流场数据非常有限，通常状态下仅能获得部分空间点的流场数据。风洞试验也可以获得较为真实的实际流场数据，且相对于海上实测，在风洞内可以采用PIV 等较为先进的流场测试技术，获得较为全面的空间流场数据。但是由于风洞试验模型往往是缩比模型，其与真实舰船航行间存在巨大的雷诺数差异，因此目前的风洞试验获得的流场往往是与实际流场不完全相似的。CFD 数值模拟凭借经济、高效、灵活、方便和快速的特点，在舰船甲板流场研究中得到广泛使用[6-10]。CFD 数值模拟在经过风洞模型校核验证后，可以开展实尺度模型的计算，获得全面的流场数据，并可大大节省研究经费、缩短研究周期。

近年来，国内外研究人员采用数值计算开展了大量的舰船甲板流场对舰载机起降安全的影响分析。Polsky 等[11-12]在2000～2002 年对美国号两栖攻击舰进行了流场数值模拟，并与试验结果进行了对比，验证了CFD 数值模拟的可行性。国内陆超等[13]、曲飞等[14]、洪伟宏等[15]、陈继祥等[16]、郜冶和刘长猛[17-18]等也采用数值计算方法对舰船甲板气流场开展了较深入的研究。李通等[19]采用CFD 数值模拟分析了纵摇状态下两栖攻击舰甲板上方涡结构的演化规律，以及舰船纵摇周期和振幅的突变对流场结构带来的影响。但是以上研究仅仅关注流场对舰载机起降安全性的影响，对甲板作业人员的影响研究尚不多见。对于航母或者两栖攻击舰，特别是后者，目前工程单位主要采用工程估算的方法分析作业人员的安全区域。本文采用数值计算方法，定量分析舰载直升机/舰船耦合流场下舰面人员的危险区域，并总结其成因。

本文首先数值模拟了舰面人员气动力，并通过四艘不同直通式甲板舰船甲板表面气流场数值模拟，分析总结危险区域及形成原因。其次，开展了直升机进舰以及降落过程的非定常数值计算，分析了在整个动态过程中舰面甲板上的危险流场。最后，还开展了多机同时作业的非定常流场计算，总结出了多机作业时舰面的危险区域。

1 数值计算方法

由于舰船甲板上方流场的马赫数一般小于0.3，故为不可压流，其控制方程如下：

其中：V为速度矢量，D/Dt表示物质导数，ρ为流体密度，P为流体所受的压力，F为黏性力矢量。计算时采用simple 算法，湍流模型为k-ε湍流模型。

对于机-舰耦合流场，考虑到旋翼的速度较大，其马赫数通常大于0.3，则需采用可压缩N-S 方程作为控制方程：

其中：W为守恒变量，F、G、H为对流通量，Fv、Gv、Hv为黏性通量。

湍流模型采用S-A 湍流模型，离散格式为Roe 格式。考虑到除旋翼外其他区域均为低速流动，因此采用了低速预处理。计算中为了实现旋翼流场与舰船流场的耦合，采用了重叠网格方法，其中舰船网格（背景网格）约为1 000 万单元，旋翼网格约为700 万单元。通过对本文采用的LHA 舰船开展了网格无关性验证，发现当网格达到1 000 万量级时即可满足网格无关性要求（见表1），因此文中各个舰船的计算网格均在1 000 万单元以上。计算域为长方体，长方体的长宽高分别为10 倍船长、10 倍船宽、5 倍船高（图1）。

表1 LHA 舰船网格无关性验证Table 1 Mesh independence test for LHA

图1 LHA 舰船计算域Fig.1 Computational domain for LHA

采用SFS2 标准算例对以上两种计算方法开展了算例验证。计算状态为正向来流下20 m/s 合成风速。两种算法获得的舰面流场速度分布与试验值[10]及文献[20]的计算结果一致（见图2）。因此，单船时采用计算效率较高的Simple 算法与k-ε模型。对于考虑旋翼的耦合流场，由于旋翼桨尖速度较大，故采用可压流方程加预处理的算法，并采用航空上较常用的S-A 湍流模型。

图2 SFS2 算例速度分量对比Fig.2 Comparison of the velocity components for SFS2

2 流场计算与人员作业安全性分析

2.1 人体气动受力分析

采用的简化人体模型以及三维坐标见图3。人体模型采用混合网格，计算域为20 m（宽）× 36 m（长）× 5 m（高），网格量约为700 万单元。由于来流为低速气流，所以采用不可压控制方程，并采用Simple 算法求解，湍流模型为k-ε模型。并对计算模型开展了网格无关性验证，分别对比了500 万、700 万与1 000 万网格下10 m/s 来流风速条件下的人体受力（见表2）。对比发现，计算网格的结果与密网格接近，故在兼顾计算效率与准确度的情况下，采用700 万网格进行计算。

图3 人体模型坐标轴示意图Fig.3 Schematic diagram of the manikin coordinate axis

表2 人体模型网格无关性验证Table 2 Mesh independence test for the manikin

通过计算不同来流风速情况下的流场，获得了相应的人体所受的空气阻力（见表3）。从表中可以看出，随着来流风速的增大，人体受到的空气阻力迅速增大，空气阻力的大小与速度的平方近似成正比关系。假设人体质量为75 kg，甲板摩擦系数约为0.3，摩擦力约为220.5 N。通过表3 对比发现，当来流风速为35 m/s 时，空气阻力为224N，大于地面摩擦力，人体无法保持平衡。分析力矩，当来流为30 m/s 时，由于空气阻力，人体受到的以地面接触点为矩心的力矩约为148 N·m，而人一步的距离约为0.45～0.60 m，因此可以认为人的重心可以在±0.2 m 间调节以抵抗气动力矩[21]。当人体质量为75 kg 时，由重力产生的力矩约为147 N·m，可以认为，当气流为30 m/s 时人体已经难以保持平衡。同时由于舰船横摇、纵摇、垂荡等运动，当舰面存在30 m/s 水平合成风速时，作业人员在该区域开展作业将难以保持人体平衡，因此认定水平合成风速大于30 m/s 的舰面区域是舰面作业人员的严重危险区域。

表3 不同风速下人体阻力Table 3 Human body resistance under different wind speeds

2.2 不同舰船表面流场对比

针对5 级海况，并假设两栖攻击舰或航母以20 kn 速度高速航行，则舰船表面的合成风速约为20 m/s。因此分别针对法国西北风级、法国戴高乐号、英国伊丽莎白女王号和美国号四艘舰船，分析在20 m/s 风速下、飞行甲板上方1 m 高度处的水平速度等值线分布，风向角为0°和±30°。计算发现，在0°风向角时，四艘舰船飞行甲板上方1 m 高度处均未出现流速大于25 m/s 的区域。而在有侧风的情况下，除了美国号的其他三艘舰船均出现了流速大于25 m/s 的区域。图4～图7 给出了距飞行甲板1 m 高度处的水平速度等值线图，该速度为流向速度与横向速度的合速度（图中仅为有侧风的情况，由于美国号甲板上无流速大于25 m/s 的区域，故仅展示了右舷来风情况）。设定超过30 m/s 的水平风速区域为严重危险区，超过25 m/s 的水平风速区域为危险区。

图4 法国西北风级水平速度等值线图Fig.4 Horizontal velocity contour map of the France Mistral-class LHD

图5 法国戴高乐号水平速度等值线图Fig.5 Horizontal velocity contour map of the France Charles de Gaulle

图6 英国伊丽莎白女王号航母水平速度等值线图Fig.6 Horizontal velocity contour map of the Britain Queen Elizabeth-class aircraft carrier

图7 美国号水平速度等值线图Fig.7 Horizontal velocity contour map of the American LHA

从水平速度等值线图中可以发现，西北风级在上层建筑左侧出现较大范围的危险区域，其他舰船的危险区域仅出现在舰艏附近。由于西北风级舰特殊的舰艏结构，造成了左舷来风时舰艏涡和左舷侧的涡流混合，形成了斜穿甲板面的强烈涡系结构及较大的水平速度（见图8），因此可见在无直升机降落时，舰艏结构直接决定了其附近甲板面上水平流速的分布。另外除西北风级外，其余两艘舰船在舰艏靠近左右舷侧出现了严重危险区域，这也是由舰艏结构以及对应的舷侧涡形成的。以伊丽莎白女王号左舷来流为例（见图9），气流流过舰艏时，类似于斜侧向的前台阶流动，在甲板上方形成了分离涡，前台阶的压缩以及该分离涡造成了甲板上方的高速流动区域。

图8 左舷30°来风速度云图、切面流线及极限流线（西北风级）Fig.8 Velocity contours and streamlines under left incoming wind at 30° (Mistral-class LHD)

图9 左舷30°来风速度云图、切面流线及极限流线（伊丽莎白女王号）Fig.9 Velocity contours and streamlines under left incoming wind at 30° (Queen Elizabeth-class aircraft carrier)

2.3 舰载直升机进舰过程流场分析

在孤立舰船流场研究中发现，美国号表面未出现高速流动区域，其对人员安全特性影响较小，因此将以美国号为模型，开展机-舰耦合流场下舰面人员安全作业区域分析。考虑CT 旋翼模型（六片旋翼），并基于重叠网格开展机-舰耦合流场计算（见图10）。通过流场分析，研究了机-舰耦合状态下，甲板面可能出现的影响作业人员安全的区域。计算采用Roe 格式，考虑到除了旋翼部分流场外，其他区域均为低速流动，所以计算采用了低速预处理。在下文的计算中均采用了相同的数值计算方法与模型。

图10 机-载耦合流场计算模型与网格Fig.10 Computational model and mesh for helicopter-ship coupled flow

为了分析舰载直升机在进场过程中，甲板上方的混合尾流场对甲板作业人员安全的影响，开展了来流合成风速为20 m/s 时旋翼进舰过程的非定常数值模拟，旋翼的参数见表4。图11 给出了距飞行甲板1 m高度处的速度等值线图，该速度为流向速度和横向速度的合速度。图12 给出了沿着流向不同切面的总速度云图，以及该切面的二维流线与甲板面极限流线。可以看出，旋翼进场过程中，初始甲板面上的风速处于25 m/s 以下，甲板面的气流不会对作业人员产生较大影响。随着旋翼逐渐靠近甲板左舷，旋翼诱导的下洗流动和来流风速合成后在旋翼后方的尾流中形成了一个高速流动区域。随着这个区域逐渐靠近甲板（见图12），甲板阻挡使气流转变为沿着甲板面的流动，因此在距离旋翼后方1 个桨盘距离的甲板区域内出现小范围水平方向的高速气流区域。随着旋翼的逐渐进场，危险区也逐渐扩大，在2～4 s 间，甲板表面1 m 高度处的最大风速值超过30 m/s，4 s 之后旋翼减速进场，此时旋翼诱导产生的高速气流逐渐受到右侧舰岛影响，水平风速最大值又降至30 m/s 以下。在进舰过程中，危险区域从1 倍桨盘位置处开始，到3 倍桨盘位置处结束。当旋翼最终悬停在起降位置处时，其尾流受到上层建筑的阻挡，因此在上层建筑周边形成了较大范围的危险区域。

图11 直升机进舰过程中不同时刻舰面1 m 高度处平面的速度等值线Fig.11 Velocity contours in the plane at 1 m height from the ship surface at different time instances during the helicopter entry

图12 直升机进舰过程中不同时刻舰面速度云图、切面流线及极限流线Fig.12 Velocity contours and streamlines at different time instances during the helicopter entry

表4 旋翼参数Table 4 Parameters of the rotor

2.4 直升机降落过程流场分析

当直升机完全进舰悬停后，继续进行降落作业。图13 给出了舰载直升机下降过程中，距甲板1 m 高度处的流向速度和横向速度的合速度等值线图。图14 给出了沿着流向不同切面的总速度云图，以及该切面的二维流线与甲板面极限流线。随着旋翼的下降，危险区域逐渐向着旋翼前移。这是因为，一方面由下洗流动诱导的高速气流逐渐贴近地面，其不受甲板面影响可向后自由传播的距离逐渐缩短，下洗气流在旋翼后方与侧方逐渐沿着甲板流动；另一方面沿着甲板流动的高速气流还受到了舰岛的阻挡作用。在t=8.5 s 时刻，甲板上速度超过25 m/s的区域先略有扩大。t=9.5 s 之后，沿着甲板流动的高速气流受到舰岛前部的影响，部分旋翼尾流绕过了上层建筑，危险区域反而有所减小。之后危险区域进一步前移，在上层建筑前方和其左舷侧形成了危险区域。

图13 直升机降落过程中不同时刻舰面1 m 高度处平面的速度等值线Fig.13 Velocity contours in the plane at 1m height from the ship surface at different time instances during the helicopter landing

图14 直升机降落过程中不同时刻舰面速度云图、切面流线及极限流线Fig.14 Velocity contours and streamlines at different time instances during the helicopter landing

2.5 多机起降时舰面风速分布与人员安全

多机起降时会带来“机-机”干扰的耦合流场，使得旋翼后方的流场更加紊乱复杂。设定前机处于待机状态且旋翼工作，后机在其后方降落。其中，前机的旋翼尾流采用动量盘模拟，即在桨盘范围内将旋翼拉力平均后作为源项引入z向动量方程，后机则采用重叠网格计算旋翼的尾流。计算网格见图15，其中舰艏靠近甲板处为动量盘，动量盘后方是旋翼的重叠网格。

图15 多机起降计算网格Fig.15 Computational mesh for multi-helicopter landing and take-off

图16 给出了正顶风20 m/s 来流风速时、距甲板1 m 高度处的速度等值线云图，该速度为流向速度和横向速度的合速度。可以看到，前后机之间出现了两个较小范围的严重危险区，这主要是由于前机旋翼诱导的下洗气流冲击甲板形成的，同时旋翼的下降并未对该危险区域造成明显的影响。在图17 中，动量盘附近的二维流线随着后方旋翼的降落也未见明显的改变，这表明后方的旋翼降落对前方甲板面附近的高速气流影响较小。在t=6 s 之前，随着流动的向后发展，上层建筑左侧的红色高速区逐渐后移，且速度有所衰弱。在t＞6 s 之后，上层建筑左侧的严重危险区不断扩大。t=7 s、旋翼距甲板9.5 m 时，上层建筑前方出现了较大范围的严重危险区，这与单旋翼情况一致。由于旋翼靠近甲板产生的尾流，该区域在降落过程中也逐渐扩大。此外，在多机降落的过程中还出现了部分危险区域随来流向后运动的情况，很可能影响至舰艉区域。从图17 中也可以观察到，随着旋翼降落，靠近甲板面的高速气流逐渐向舰艉传播，这是因为旋翼下洗尾流受到甲板阻挡，转变为沿甲板面的水平流动，而旋翼下降压缩流管，从而造成了高速流动区域的增强和扩大。

图16 多机起降过程不同时刻舰面1 m 高度处平面的速度等值线Fig.16 Velocity contours in the plane at 1 m height from the ship surface at different time instances during multi-helicopter take-off and landing

图17 多机起降过程不同时刻舰面速度云图及切面流线Fig.17 Velocity contours and streamlines at different time instances during multi-helicopter landing and take-off

与单个旋翼起降对比，多机起降过程中造成的危险区域明显增加。因此，对于多机同时作业，在旋翼下降的过程中，旋翼后方和上层建筑左方及前方区域会出现严重危险区。若有人员在此区域进行甲板作业，将会对其自身的安全产生不利影响。

3 结束语

本文从人体气动数值计算入手，分析了不同风速下的人体受力情况，并总结出了影响人员作业安全的风速范围，即甲板上的30 m/s 风速区域是舰面作业人员的严重危险区域。通过对比四艘不同舰船在不同风向下的甲板上方流场，提出了危险区域主要由舰艏结构以及舷侧涡造成。分别开展了舰载直升机进舰与降落过程非定常流场数值计算，总结分析了在此过程中危险流场区域的分布变化。开展了多机作业时，前机待机、后机降落过程中复杂耦合流场数值计算，分析提出了此过程的舰面危险流场区域分布，并发现在多机同时作业时甲板面上的危险区域远大于单机作业情况。