孫朋朋，孫 偉，林永峰，陳金鶴

(中國直升機設計研究所 直升機旋翼動力學重點實驗室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

基于直升機安全起降條件的城區(qū)建筑流場分析

孫朋朋，孫 偉，林永峰，陳金鶴

(中國直升機設計研究所 直升機旋翼動力學重點實驗室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

采用數(shù)值模擬方法得到了典型城區(qū)建筑模型附近的流場，結合直升機安全起降條件，分析了不同風速條件和建筑尺寸對建筑附近流場以及直升機城區(qū)起降的影響。結果表明，影響直升機起降的建筑附近流場危險紊流區(qū)范圍與來流速度、建筑尺寸等參數(shù)成正比，直升機在城區(qū)選擇起降地點時應盡量規(guī)避建筑頂部及尾流區(qū)的局部危險紊流區(qū)。最后，根據(jù)城區(qū)建筑附近流場的特點為直升機在城區(qū)安全起降及飛行提出了建議。

直升機；城區(qū)起降；數(shù)值模擬；飛行軌跡

0 引言

近年來，隨著通用航空的發(fā)展，直升機在城市中的應用越來越多。直升機能夠在空中懸停，可以在無準備場所或樓頂狹小平臺起降，這些特點使得直升機特別適合在城區(qū)使用，是固定翼飛機和其它交通運輸工具所不能替代的。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，直升機將會越來越多地用于醫(yī)療救護、安全保衛(wèi)、城區(qū)人員接送、旅游觀光、交通疏導與管制、高層建筑滅火等，具有十分廣闊的應用前景。

然而城區(qū)起降環(huán)境較為復雜，建筑、樹木、車輛等障礙物眾多，再加上城市中局部溫度不均勻產(chǎn)生的氣流，很容易形成旋渦，倒灌風等復雜氣流，風向、風速不穩(wěn)定，嚴重干擾直升機城區(qū)飛行[1]。因此直升機在城區(qū)飛行及起降時的安全問題也同時被人們所關注，這也制約了我國民用直升機城市化的進程[2]。因此，開展城區(qū)建筑環(huán)境的流場特性研究，能夠為直升機在城區(qū)復雜環(huán)境下飛行和起降提供參考，具有重要意義。

對于城區(qū)流場環(huán)境的研究，國內(nèi)外學者都開展了一系列的工作。Michael J. Brown等采用風洞試驗方法，研究了不同建筑陣列下的流場特征[3]。A. Baskaran等采用數(shù)值計算方法得到建筑模型三維流場后，與已有風洞試驗結果進行了對比驗證[4]。Mark Sutherland等采用大渦模擬計算了城區(qū)單一建筑周圍流場[5]。Cheng Hsin Chang等采用數(shù)值計算方法研究了不同建筑間距離對城區(qū)氣流特性的影響[6]。J. A. Peterka等對單一建筑模型尾流流場特征的研究進行了論述[7]。

國內(nèi)近年來也對城區(qū)建筑環(huán)境流場的流動特性進行了相關研究，主要為計算方法的驗證和優(yōu)化，以及流場流動特性的定性研究，如馬劍[8]、陳義勝[9]、王遠成[10]等，而對直升機起降環(huán)境流場影響的研究相對較少。

城區(qū)主要組成元素以立方柱形高層建筑為主。本文應用CFD方法，針對典型城區(qū)建筑簡化模型，通過城區(qū)環(huán)境建模、網(wǎng)格劃分以及計算求解，得出建筑尾流場的流動特性。在結果驗證的基礎上，進一步研究了風速大小、建筑模型尺寸對紊流區(qū)尺度的影響特性，為直升機城區(qū)起降時的飛行軌跡選擇提出了建議。

1 數(shù)值計算方法與驗證

采用FLUENT流場計算軟件，通過求解三維雷諾平均N-S方程，對單一建筑簡化模型流場進行求解計算。計算模型及坐標如圖1所示。模型長L=0.1 m，寬W=0.18 m，高H=0.36 m。計算網(wǎng)格采用粘性結構網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為424萬，建筑模型附近網(wǎng)格進行局部加密，附面層網(wǎng)格最小間距小于10-4m，如圖2所示。進行計算時，來流給定遠場邊界條件，地面、建筑壁面均采用無滑移的絕熱邊界條件，粘性系數(shù)由Sutherland關系式確定，采用二階迎風格式對控制方程對流擴散項進行離散，湍流模型選用Realizable k-ε 模型。

為驗證計算模型的有效性，在相同工況條件下，將同一建筑模型繞流流場的數(shù)值計算結果與已有的PIV試驗結果[2]進行了對比。建筑背風側(cè)的紊流區(qū)中存在反流區(qū)(分速度Ux<0)，因此不妨以尾流區(qū)流向速度Ux=0 m/s為特征速度邊界，作為對比對象。圖3給出了9 m/s來流速度下模型尾流區(qū)速度邊界(Ux=0 m/s)計算與試驗結果的對比。由圖3可知計算值與試驗值在速度邊界尺度上符合較好。

2 寬高比對尾流區(qū)紊流范圍的影響

國外相關文獻結果[11]表明，高樓周圍氣流紊流影響范圍最大的位置與高樓的長、寬、高尺寸有關。高樓后的尾流場區(qū)域范圍的大小與高樓的寬度和高度比值有關。

固定模型在來流方向的長度L和高度H，改變建筑寬高比W/H大小以研究其寬度和高度方向尺寸對尾流場邊界的影響。來流速度為9 m/s，W/H分別為2、4、6、10，風速方向為沿x軸正方向，垂直于模型表面。

采用與方法驗證相同的對比方式，得出了不同寬高比下模型尾流場的橫向剖面(Z=0.1H)和縱向剖面(Y=0)的特征范圍，如圖4、圖5所示。由圖4可知，隨著模型寬高比增加，尾流場特征范圍明顯增大，即其紊流影響范圍逐漸增大。

圖5給出了在縱向剖面的計算結果?？梢钥闯鲭S著寬高比的增加，建筑紊流區(qū)速度邊界也明顯增大，即紊流區(qū)影響范圍與建筑模型寬高比成正比例關系。

3 風速對尾流區(qū)紊流范圍的影響

來流風速大小也是建筑尾流區(qū)紊流影響范圍的關鍵因素。采用同一種建筑模型，計算了在來流速度為4 m/s至18 m/s工況下的建筑尾流流場。圖6給出了不同來流速度的建筑模型尾流流場的特征速度邊界(Ux=0m/s)?？梢钥闯?，隨著風速增加，建筑尾流區(qū)特征速度邊界逐漸增大?？梢姡欢ǔ叽绲慕ㄖＰ停湮擦鲄^(qū)紊流范圍大小與來流風速也成正比例關系。

4 流場特征對直升機起降的影響

直升機在紊流區(qū)起降時，不穩(wěn)定氣流直接作用在直升機槳葉上，產(chǎn)生非定常脈動載荷，嚴重影響直升機的飛行性能和操縱特性，增大了飛行安全風險。直升機周圍氣流的湍動能和豎直方向速度是直升機起降主要的流場限制條件[12]。英國CAP 437標準規(guī)定直升機起飛和降落區(qū)域豎直方向速度的標準方差不能超過1.75 m/s[13]。數(shù)值模擬時采用k-ε模型，基于各項同性假設，則湍動能k不大于4.59m2/s2。

圖7給出了來流速度為9 m/s條件下的湍動能限制區(qū)域，圖中用紅色線標出。由圖7可以看出，在該條件下湍流限制區(qū)域(湍動能大于4.59m2/s2)主要在建筑迎風面壁面附近、建筑頂部以及建筑尾流的局部區(qū)域，而在背風側(cè)壁面附近湍動能相對較小。直升機若在建筑頂部起降或者在建筑上方附近飛行時，會受到較強湍流的影響。為了維持直升機飛行的穩(wěn)定，飛行員飛行負荷將會增大，非常不利于飛行安全。

豎直方向氣流速度將影響直升機槳葉有效迎角。當直升機周圍豎直方向氣流速度增大，或進入渦流區(qū)時，直升機會受到一個方向的沖力，使直升機突然前沖或偏航，從而直接危及直升機的飛行安全。直升機安全起降的豎直方向速度一般不應大于2.5m/s，如某用于海上鉆井平臺直升機，飛行負荷等級及評價值(HQR)為6.5時，即介于危險和不危險之間，氣流豎直方向分速度應不大于2.4 m/s[13]。因此我們不妨取2.4 m/s作為限制區(qū)域的邊界。

圖8給出了來流速度為9 m/s條件下的豎直方向速度限制區(qū)域?？梢钥闯?，飛行限制區(qū)域主要是在建筑頂部前側(cè)附近和背風側(cè)壁面附近，在距離建筑稍遠的尾流區(qū)豎直方向氣流速度較小，且限制區(qū)域中豎直方向的速度為正，為上沖氣流。若在該氣流條件下選擇在建筑頂部起降，直升機飛臨建筑物上方區(qū)域時會感受到明顯的上沖力，使得機體姿態(tài)和高度發(fā)生變化。因此，飛行員應操控直升機快速通過這一區(qū)域，同時做好相應的準備。

由前文可知，當風速增大時，城區(qū)建筑周圍湍流區(qū)范圍也將增大。圖9給出了來流風速為12 m/s條件下模型附近流場的湍動能分布云圖?？梢钥闯?，隨著來流風速的增加，湍動能的限制區(qū)域變得更大，尤其是在建筑尾流區(qū)，限制區(qū)域向尾流區(qū)上游和下游延伸。這同樣也證明了建筑尾流區(qū)紊流范圍隨風速的增大而增大。同時，風速增大后飛行限定區(qū)域由之前的在建筑尾流區(qū)距離地面較高的區(qū)域逐步發(fā)展到地面附近。因此，直升機在背風側(cè)建筑附近起降是十分危險的。為了避免增加飛行員的操控難度和飛行風險，直升機在尾流區(qū)時應選擇與建筑更大距離的位置起降。

圖10為風速為12 m/s條件下豎直方向氣流分速度的分布云圖及飛行限制區(qū)域，圖中用紅色標記標出。對比圖8和圖10可知，隨著來流速度的增加，建筑上方的限制區(qū)域以及背風側(cè)壁面附近的限制都進一步增大。此外，在建筑尾流區(qū)，氣流下洗速度也逐漸增大，形成飛行限制區(qū)。直升機進入該區(qū)域?qū)⑹艿较孪礆饬饔绊?，出現(xiàn)突然下降或突然前沖等現(xiàn)象，對直升機城區(qū)飛行安全帶來極大的威脅。

速度等值線的疏密程度可反映出流場速度梯度的大小。由圖10可知，建筑附近流場速度梯度較大的區(qū)域主要集中在建筑頂部上方，其次為建筑背風區(qū)域。這是由于來流在越過建筑頂部時，空間流管收縮，流動速度迅速增加，產(chǎn)生較大的速度梯度；在氣流流過建筑后，流管又發(fā)生擴張，速度迅速降低，繼而產(chǎn)生一個較大的負向的速度梯度。直升機旋翼周圍的氣流速度梯度過大時，會使旋翼受力不均，導致操控難度增大。

選取圖9和圖10中限制區(qū)域流向范圍最大的位置做橫向剖面。圖11和圖12分別給出了橫向剖面的豎直方向速度云圖和湍動能云圖，并給出了飛行限制區(qū)域。由圖11可知，限制區(qū)域主要在背風側(cè)建筑壁面附近以及尾流區(qū)下游局部區(qū)域，其中建筑附近限制區(qū)域因受到建筑兩側(cè)加速氣流的影響，呈現(xiàn)兩側(cè)大于中間的“馬鞍”形區(qū)域。由圖12可知，尾流區(qū)很大一部分區(qū)域均為限制區(qū)域；同樣受建筑兩側(cè)加速氣流影響，限制區(qū)域呈中間小兩側(cè)大的形狀。另外在限制區(qū)域兩側(cè)邊緣的湍動能最強且變化劇烈，因此，直升機穿過湍動能區(qū)是十分危險的。

對比圖11和圖12可得，直升機起降的流場限定條件里，湍動能限制區(qū)域大于豎直分速度限制區(qū)域，湍動能為主要限定條件，且影響區(qū)域主要集中于建筑背風側(cè)。因此直升機在規(guī)劃航線，選擇降落地點時，應盡量避開該影響區(qū)域。

5 結論

采用FLUENT軟件，計算并分析了城區(qū)建筑模型的紊流區(qū)域范圍與模型建筑尺寸及來流風速的關系，并結合直升機起降限制條件分析了直升機在建筑尾流區(qū)起降的危險區(qū)域。通過分析研究得到如下結論：

1)建筑尾流紊流區(qū)影響范圍隨來流風速的增大而逐漸增大；

2)建筑尺寸對尾流紊流區(qū)影響范圍影響較大，且與建筑寬高比大小成正比；

3)直升機在建筑頂部飛行或起降時應注意上沖氣流的影響，在建筑尾流區(qū)起降時應盡量避開湍動能限制區(qū)域。

需要說明的是，方柱繞流是一種鈍體繞流，尾流流場是非定常的。本研究采用定常狀態(tài)的平均流動模擬非定常的瞬態(tài)流動是為了從整體上研究流場環(huán)境，方便得出影響規(guī)律以及對直升機起降的影響。采用非定常方法研究建筑尾流流場，并耦合直升機旋翼氣流，進而對建筑周圍氣流環(huán)境進行定量描述將是我們下一步的工作。

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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

本文由民機科研項目——民用直升機城區(qū)起降環(huán)境流場飛行特性研究資助(MJ6.1.9)。

孫朋朋(1989-)，男，山東德州人，碩士，工程師，研究方向：直升機空氣動力學。

1673-1220(2017)04-001-05

V211.3

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