李 通，劉 戈，宗 昆，2，*，趙 寧，王逸斌

(1.中國船舶集團(tuán)有限公司 系統(tǒng)工程研究院，北京 100094；2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3.南京航空航天大學(xué) 非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)與流動(dòng)控制工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016)

0 引言

艦船的飛行甲板是艦載直升機(jī)的主要作業(yè)平臺(tái)。受無規(guī)則的海風(fēng)、艦船六自由度運(yùn)動(dòng)和上層建筑尾流等多因素影響，艦面流場(chǎng)實(shí)際上是極其復(fù)雜的耦合流場(chǎng)。再加上直升機(jī)進(jìn)行起降操作時(shí)，旋翼槳尖渦與艦船尾流相互摻混，大大增加了流場(chǎng)的隨機(jī)性和湍流度，這會(huì)嚴(yán)重危及飛行員的生命安全。趙鵬程等對(duì)艦載直升機(jī)起降安全因素進(jìn)行了系統(tǒng)分析[1]，認(rèn)為艦船空氣流場(chǎng)和艦船運(yùn)動(dòng)會(huì)使得直升機(jī)易產(chǎn)生狀態(tài)不穩(wěn)和抖動(dòng)現(xiàn)象，增大作業(yè)難度。所以有必要對(duì)艦船飛行甲板上方的空氣流場(chǎng)特性，特別是真實(shí)海況下的機(jī)-艦耦合流場(chǎng)特性進(jìn)行深入研究。

艦面流場(chǎng)的研究方法主要包括實(shí)船測(cè)量、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算。在早期以實(shí)船測(cè)量和風(fēng)洞試驗(yàn)為主[2-3]，但這兩種方法需要耗費(fèi)很大的人力、物力，成本比較高，而且通常試驗(yàn)周期比較長(zhǎng)，不能很好地滿足現(xiàn)代艦船研究的要求。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法可以更好地從定性和定量角度研究流體流動(dòng)，且大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用，因此逐漸被國內(nèi)外學(xué)者廣泛地利于進(jìn)行艦面流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算研究[4-5]。宗昆等[5]使用“作用盤方法”和“運(yùn)動(dòng)嵌套網(wǎng)格”方法，對(duì)LPD-17 船型和“海豚”直升機(jī)進(jìn)行艦船-旋翼耦合流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算研究，研究結(jié)果表明：上層建筑物后方的下洗流動(dòng)，會(huì)造成旋翼的實(shí)際迎角減小，使旋翼拉力減小。國外Watson 等[6]通過對(duì)英國“伊麗莎白女王號(hào)”航母上的非定常氣流進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)建模研究，認(rèn)為在斜風(fēng)狀態(tài)下該航母的雙艦島結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致飛行甲板上產(chǎn)生更加復(fù)雜的氣流。為了對(duì)比分離渦模擬（DES）方法、非定常雷諾平均（URANS）方法和尺度自適應(yīng)模擬（SAS）方法對(duì)艦面流場(chǎng)的預(yù)測(cè)效果，Shukla 等[7]在2021 年進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明，DES 和SAS 得到的平均流動(dòng)特性與試驗(yàn)結(jié)果相似。

對(duì)于驅(qū)護(hù)艦的尾流場(chǎng)研究，國外設(shè)計(jì)了高度簡(jiǎn)化的護(hù)衛(wèi)艦（SFS）幾何模型[8-9]及其更新版本SFS2（如圖1 所示），SFS2 在原始SFS 的基礎(chǔ)上加長(zhǎng)了上層建筑并增加了三角形艦艏。后來，很多學(xué)者對(duì)這兩種簡(jiǎn)化艦船模型周圍的流場(chǎng)進(jìn)行了一系列風(fēng)洞試驗(yàn)[10-11]以及數(shù)值模擬研究[12-13]，發(fā)現(xiàn)：機(jī)庫后方存在回流區(qū)，同時(shí)產(chǎn)生了不穩(wěn)定的分離剪切層，如果艦載直升機(jī)在起降過程中陷入回流區(qū)，旋翼氣動(dòng)力將會(huì)受到渦流的擾動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致飛行事故。

圖1 SFS 及SFS2 模型示意圖Fig.1 Schematic of SFS and SFS2

在真實(shí)海況下艦船會(huì)處于六自由度的搖擺運(yùn)動(dòng)中，使得甲板上方的流場(chǎng)更加復(fù)雜多變。已有一些學(xué)者在艦面流場(chǎng)和艦載機(jī)著艦方面的研究中考慮到了艦船的搖擺運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為艦船搖擺運(yùn)動(dòng)是影響艦載機(jī)甲板作業(yè)安全性的一個(gè)重要因素。但目前對(duì)于處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的艦面流場(chǎng)研究較少。已有學(xué)者使用周期性簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方程來近似模擬艦船的搖擺運(yùn)動(dòng)，如縱搖和橫搖，得到了艦船運(yùn)動(dòng)過程中部分時(shí)刻的艦面流場(chǎng)情況，但是沒有進(jìn)一步分析在一個(gè)搖擺周期中艦面流場(chǎng)的變化規(guī)律以及搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)甲板上方渦結(jié)構(gòu)的影響[14]。近兩年李通等專注于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的艦面流場(chǎng)研究[15-16]，在2021 年進(jìn)行了兩棲攻擊艦縱搖突變對(duì)艦面流場(chǎng)的影響研究[15]，通過CFD 方法得到了簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)下艦面流場(chǎng)的周期性，以及艦船縱搖周期和振幅的突變對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)帶來的影響。

以上研究，雖然引入了艦船的搖擺運(yùn)動(dòng)，但是也只停留于孤船的艦面流場(chǎng)，未考慮到艦載直升機(jī)旋翼帶來的機(jī)-艦耦合流場(chǎng)影響，所以艦船搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)艦載機(jī)的氣動(dòng)力干擾和對(duì)機(jī)-艦耦合流場(chǎng)中“渦-渦”干擾的影響目前還沒有較為清楚的認(rèn)識(shí)。因此，本文基于護(hù)衛(wèi)艦的簡(jiǎn)化模型SFS2 以及雙槳葉旋翼模型，在斜風(fēng)狀態(tài)下，對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)中的機(jī)-艦耦合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，從而期望對(duì)運(yùn)動(dòng)甲板上的機(jī)-艦耦合流場(chǎng)特性有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

1 計(jì)算方法

由于旋翼在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，其槳尖附近的流動(dòng)屬于可壓縮流，因此對(duì)于機(jī)-艦耦合流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算給出可壓流動(dòng)的控制方程：

其中：W、F和G分別為守恒變量、對(duì)流通量和黏性通量；H包含體積力等源項(xiàng)。

本文采用雷諾平均方法中的SSTk-ω湍流模型，選取密度基耦合隱式求解器，通量格式為Roe-FDS格式，時(shí)間推進(jìn)為雙時(shí)間步迭代法。

對(duì)于槳葉旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)，采用滑移網(wǎng)格方法。該方法將計(jì)算域劃分為旋轉(zhuǎn)域和靜止域，二者交界面處用兩個(gè)重合的滑移面關(guān)聯(lián)，來實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)數(shù)據(jù)交互，該滑移面稱為Interface，如圖2 所示。

圖2 交界面示意圖Fig.2 Schematic of interface

對(duì)于縱搖運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，采用動(dòng)網(wǎng)格方法，在定義好邊界運(yùn)動(dòng)后，采用彈簧光順法對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行不斷更新。在該方法中，假設(shè)相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間存在相互連接的彈簧，通過胡克定律，可以計(jì)算得到這些網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的彈簧力：

其中：Δxi和 Δx j分別為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j在形變作用下發(fā)生的位移；ni為 與節(jié)點(diǎn)i相連的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；ki j為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的彈簧剛度；kfac為彈簧因子。

基于已有的Caradonna-Tung 旋翼（簡(jiǎn)稱C-T 旋翼）試驗(yàn)數(shù)據(jù)[17]，進(jìn)行孤立旋翼氣動(dòng)力的數(shù)值模擬驗(yàn)證。該旋翼由兩片槳葉組成，槳葉剖面采用無扭轉(zhuǎn)的NACA0012 翼型，展弦比為6，旋翼直徑為2.286 m，槳距角為8°，轉(zhuǎn)速為1 250 r/min，翼尖馬赫數(shù)為0.439。圖3 給出了試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果中槳葉不同位置剖面的壓強(qiáng)系數(shù)（壓強(qiáng)系數(shù)=壓強(qiáng)/動(dòng)壓），橫坐標(biāo)表示弦長(zhǎng)的不同位置（已用弦長(zhǎng)無量綱化）。圖中R表示直升機(jī)旋翼的半徑，r/R=0.5 表示槳葉中心位置，r/R=0.96表示槳尖附近的位置。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩種結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了使用滑移網(wǎng)格方法和SSTk-ω湍流模型計(jì)算旋翼流場(chǎng)的合理性。

圖3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證Fig.3 Comparisons of calculated and experimental results

對(duì)于艦船運(yùn)動(dòng)計(jì)算的驗(yàn)證，由于目前尚未有公開的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)艦船流場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，作者已在其他發(fā)表的論文[15-16]中通過DES 方法驗(yàn)證了本文RANS 方法計(jì)算運(yùn)動(dòng)艦船流場(chǎng)的結(jié)果。本文的研究主要關(guān)注旋翼拉力隨艦船運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，因此可以認(rèn)為本文的計(jì)算結(jié)果可以滿足研究需求。

2 計(jì)算模型

計(jì)算模型如圖4 所示，其中艦船模型為SFS2，雙槳葉旋翼直徑為10.5 m，采用NACA0012 翼型。旋翼懸停于SFS2 甲板中心上方10 m 高度，模擬直升機(jī)的懸停跟進(jìn)過程。旋翼槳距角為8°，轉(zhuǎn)速為300 r/min，在俯視圖中逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，為右旋旋翼。流場(chǎng)域劃分如圖5 所示，藍(lán)色區(qū)域?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)域，紅色區(qū)域?yàn)檫\(yùn)動(dòng)區(qū)域，包裹著艦船做縱搖運(yùn)動(dòng)。流場(chǎng)域長(zhǎng)度約為10倍船長(zhǎng)，寬度約為20 倍船寬，高度約為18 倍船高。艦船正前方為速度入口邊界條件，正后方為壓力出口邊界條件，其余四個(gè)面為對(duì)稱邊界條件。所采用的計(jì)算網(wǎng)格如圖6 所示，使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成流場(chǎng)域，其中艦船周圍和旋翼下方尾跡區(qū)進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。

圖4 機(jī)艦耦合模型示意圖Fig.4 Schematic of rotor-ship coupled model

圖5 流場(chǎng)域示意圖Fig.5 Schematic of flow field

圖6 網(wǎng)格示意圖Fig.6 Schematic of grid

為了對(duì)網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證，改變艦船和旋翼表面網(wǎng)格尺度、艦船周圍加密區(qū)和槳盤下方尾跡區(qū)的網(wǎng)格數(shù)量，分別劃分粗、中、細(xì)三種網(wǎng)格，其中粗網(wǎng)格數(shù)量到細(xì)網(wǎng)格數(shù)量以1.2 倍至1.4 倍的增長(zhǎng)率遞增，粗、中、細(xì)網(wǎng)格分別約有760 萬、930 萬、1 250 萬網(wǎng)格單元?；诨凭W(wǎng)格方法對(duì)正向來流狀態(tài)下的耦合流場(chǎng)開展非定常計(jì)算，其旋翼拉力變化如圖7 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，粗、中、細(xì)三種網(wǎng)格中的旋翼拉力變化趨勢(shì)和大小基本一致，其旋翼拉力平均值分別約為14 000 N、14 300 N 和14 200 N，最大偏差約為2.1%。為了兼顧提高計(jì)算效率和較好捕捉耦合流場(chǎng)中的渦結(jié)構(gòu)，本文采用中網(wǎng)格進(jìn)行機(jī)-艦耦合流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算。

圖7 不同網(wǎng)格下的旋翼拉力變化Fig.7 Variation of rotor thrust for different grids

3 結(jié)果與分析

海面上的浪涌變化萬千，艦船的搖擺運(yùn)動(dòng)難以預(yù)測(cè)。已有研究表明：艦船運(yùn)動(dòng)是由多階諧波組成的，但實(shí)際往往有幾個(gè)頻率的諧波占主導(dǎo)地位，可以使用正弦諧波疊加的方式來模擬艦船甲板運(yùn)動(dòng)[18]。因此，本文為艦船縱搖建立簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)模型，其運(yùn)動(dòng)方程為：

其中：ω表示艦船的縱搖角速度，單位為rad/s；t表示任意時(shí)刻，單位為s。由于旋翼流場(chǎng)的計(jì)算需要采用較小的時(shí)間步長(zhǎng)，因此通過減小縱搖周期來縮短整個(gè)搖擺運(yùn)動(dòng)計(jì)算周期。設(shè)置縱搖周期為2 s，實(shí)現(xiàn)艦船在惡劣海況下的短周期縱搖運(yùn)動(dòng)。最大縱搖角度約為2°，以船長(zhǎng)的1/2 位置作為縱搖軸，進(jìn)行周期性縱搖運(yùn)動(dòng)，定義T為一個(gè)縱搖周期。在左舷30°和右舷30°風(fēng)向角、20 m/s 的均勻來流條件下，對(duì)縱搖狀態(tài)下的機(jī)-艦耦合流場(chǎng)進(jìn)行了8 個(gè)縱搖周期的計(jì)算。為了簡(jiǎn)便標(biāo)記來流風(fēng)向角的方向，國際上將左舷來流表示為“Red”，將右舷來流表示為“Green”，參照此標(biāo)準(zhǔn)，本文記左舷30°為R30°，右舷30°為G30°。

3.1 左舷來流

為了描述流場(chǎng)中的渦結(jié)構(gòu)分布，圖8 給出了不同視角下的一個(gè)縱搖周期中的λ2等值面示意圖。在非定常流場(chǎng)中，當(dāng)λ2＜0 時(shí)，可以很清楚地觀察到渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和發(fā)展。在圖8 中，渦結(jié)構(gòu)用湍動(dòng)能大小著色，紅色區(qū)域?yàn)楦咄膭?dòng)能區(qū)域。從全局視圖中可以看到流場(chǎng)中主要存在六種渦結(jié)構(gòu)，分別是艦艏渦、左舷邊緣分離渦、煙囪尾渦、機(jī)庫尾渦、槳尖渦和艦艉渦，且都存在高湍動(dòng)能區(qū)域。對(duì)于艦載直升機(jī)的甲板作業(yè)來說，主要關(guān)注機(jī)庫后方（甲板上方）的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此側(cè)視圖和俯視圖中給出了一個(gè)縱搖周期中機(jī)庫后方的局部流場(chǎng)變化，依次是T/4、T/2、3T/4 和T時(shí)刻。模擬甲板“下沉-上浮-下沉”的縱搖過程，發(fā)現(xiàn)各種渦結(jié)構(gòu)都隨甲板的浮沉而上下?lián)u擺，且煙囪尾渦和機(jī)庫尾渦會(huì)撞擊在槳葉上，進(jìn)而與槳尖渦混合在一起。在俯視圖中可以清楚地看到旋翼脫落的一圈圈槳尖渦，與擺動(dòng)的機(jī)庫尾渦、煙囪尾渦混合在一起，順著來流方向向右后發(fā)展。這三種渦結(jié)構(gòu)都具有高湍動(dòng)能、速度脈動(dòng)較大的特點(diǎn)，會(huì)對(duì)旋翼的氣動(dòng)特性造成不利影響，同時(shí)混合渦結(jié)構(gòu)的搖擺會(huì)影響旋翼拉力的變化。

圖8 R30°的渦結(jié)構(gòu)分布圖Fig.8 Distribution of vortex structure in R30°

圖9 給出了一個(gè)縱搖周期里耦合流場(chǎng)中的渦量云圖，側(cè)視圖截面過縱向中心，俯視圖截面和旋翼等高，其中紅色表示渦量大的區(qū)域。在艦船的縱搖運(yùn)動(dòng)過程中，煙囪附近的尾渦和槳尖渦具有較大的渦量，且都向右后方發(fā)展?？梢杂^察到，在T/2 時(shí)刻，即甲板上浮至水平位置時(shí)，側(cè)視圖中的槳尖渦脫落比較規(guī)則，說明旋翼受混合尾渦的影響較小，同時(shí)俯視圖中機(jī)庫和旋翼之間的渦量很小，說明在此高度上，煙囪尾渦和機(jī)庫尾渦對(duì)旋翼氣動(dòng)力的不利影響較弱。隨著甲板的繼續(xù)上浮，煙囪尾渦和機(jī)庫尾渦也隨之上揚(yáng)，因此到3T/4 時(shí)刻，即甲板和旋翼的距離最近時(shí)，機(jī)庫和旋翼之間出現(xiàn)了較大的渦量，在隨后的下沉過程中，甲板上方的大渦量區(qū)域有所增加，且旋翼脫落的圈狀槳尖渦結(jié)構(gòu)已被破壞。

圖9 R30°的渦量云圖Fig.9 Distribution of vorticity in R30°

由于垂向氣流可以改變旋翼槳葉的來流迎角，對(duì)旋翼的氣動(dòng)力也有很大的影響，因此圖10 給出了一個(gè)縱搖周期中的垂向速度云圖，其中紅色表示上洗氣流，藍(lán)色表示下洗氣流。在艦船的縱搖過程中，甲板的上下浮沉?xí)斐善渖戏酱瓜驓饬鞯拿黠@變化，當(dāng)旋翼周圍的垂向氣流不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)造成旋翼拉力的不穩(wěn)定，導(dǎo)致旋翼抖動(dòng)。從側(cè)視圖中可以看到，在T/2 時(shí)刻，甲板上浮的速度最大，使得甲板上方出現(xiàn)了明顯的上洗區(qū)域，而在T時(shí)刻，甲板的下沉速度最大，導(dǎo)致甲板上方出現(xiàn)了大區(qū)域的下洗流。從俯視圖中看，在槳葉的旋轉(zhuǎn)過程中，尾跡中會(huì)拖出下洗區(qū)域，由于是左舷來流，氣流在經(jīng)過槳盤左側(cè)受到阻礙后，形成了明顯的上洗氣流，順著來流方向向右后方發(fā)展。在T/2 時(shí)刻，即甲板上揚(yáng)至水平位置，該截面上的上洗氣流區(qū)域較大，使得槳葉的來流迎角有所增加，因此會(huì)額外增加旋翼拉力。

圖10 R30°的垂向速度云圖Fig.10 Distribution of vertical velocity in R30°

為了進(jìn)一步研究縱搖運(yùn)動(dòng)對(duì)耦合流場(chǎng)參數(shù)的影響，還進(jìn)行了耦合流場(chǎng)的定量分析。首先針對(duì)旋翼氣動(dòng)力的影響，給出了縱搖運(yùn)動(dòng)中旋翼拉力變化曲線圖，如圖11 所示，其中黑色虛線是對(duì)拉力的瞬時(shí)值做了位移平均處理。在有來流的情況下，旋翼的前行槳葉和后行槳葉由于來流速度不同導(dǎo)致受力不同，因此在沒有考慮槳葉揮舞、變距和擺振運(yùn)動(dòng)的情況下，旋翼旋轉(zhuǎn)一圈得到的拉力會(huì)有明顯的波動(dòng)，如圖11（a）中所示出現(xiàn)了許多局部峰值。本文中的旋翼旋轉(zhuǎn)一圈為0.2 s，由于是雙槳葉模型，在旋轉(zhuǎn)一圈中拉力出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，符合雙槳葉的拉力變化特性。

對(duì)于左舷來流，縱搖運(yùn)動(dòng)中的旋翼拉力變化趨勢(shì)基本呈正弦波分布，這是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的，其平均值的最大值在T/2 時(shí)刻附近，約為19 100 N。在T時(shí)刻附近，旋翼拉力降到了最小，約為16 600 N。峰值相差2 500 N，拉力降低了約13%，可能會(huì)影響艦載直升機(jī)在甲板上方懸停和起降作業(yè)的安全性，需要飛行員及時(shí)采取相應(yīng)措施，調(diào)整總距，以防止直升機(jī)突然掉高度，撞擊甲板，造成飛行事故。通過與之前的定性結(jié)果對(duì)比分析，在T/2 時(shí)刻，機(jī)庫和旋翼之間的渦量很小，且甲板上方的上洗氣流區(qū)域最大，導(dǎo)致旋翼拉力在T/2 時(shí)刻附近最大。圖11（b）給出了最后3 個(gè)縱搖周期中旋翼拉力的平均值變化圖。從縱搖的整體來看，隨著艦船周期性的搖擺，旋翼拉力也呈現(xiàn)出近似周期性的變化，其周期為2 s，與縱搖周期一致。

圖11 R30°狀態(tài)下的旋翼拉力變化Fig.11 Variations of rotor thrust in R30° state

在甲板中心正上方5 m、7 m 和9 m 高度處取3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，探究縱搖運(yùn)動(dòng)對(duì)該位置處速度的影響，并給出了其變化曲線圖（圖12），圖中u、v、w分別表示縱向速度、橫向速度和垂向速度。由于斜風(fēng)狀態(tài)下的耦合流場(chǎng)比較紊亂，三個(gè)高度處的速度分量都沒有呈現(xiàn)出周期性變化，且不同高度處的速度大小和變化趨勢(shì)有所不同。對(duì)于縱向速度，9 m 高度處的位置離甲板最遠(yuǎn)，受機(jī)庫尾渦的影響較小，所以縱向速度最大；而5 m 高度處的縱向速度最小，該位置陷入了機(jī)庫后方的混合渦流區(qū)。對(duì)于橫向速度，在縱搖運(yùn)動(dòng)中，7 m 高度和9 m 高度位置處的速度方向均為正，表示向右舷的橫向流動(dòng)，而5 m 高度處的速度方向有正有負(fù)，則表示流動(dòng)在該位置發(fā)生了變向，有渦流產(chǎn)生。對(duì)于垂向速度，9 m 高度處的垂向速度基本都小于0，表示一直處于旋翼的下洗流中，由于離甲板較遠(yuǎn)，垂向速度受到縱搖運(yùn)動(dòng)的影響最弱，因此變化范圍也最?。? m 和7 m 高度處的位置離甲板較近，受到縱搖運(yùn)動(dòng)的影響較強(qiáng)，導(dǎo)致其垂向速度的變化范圍很大，伴隨著上洗流和下洗流的交替變化；其中5 m高度處的垂向速度會(huì)在約10 m/s 的下洗流和5 m/s的上洗流之間變化，飛行員需要及時(shí)采取相應(yīng)措施來應(yīng)對(duì)變化氣流對(duì)旋翼氣動(dòng)力的影響。

圖12 R30°狀態(tài)下觀測(cè)點(diǎn)的速度分量變化Fig.12 Variations of velocity components in R30° state

3.2 右舷來流

圖13 給出了G30°的渦結(jié)構(gòu)分布圖。相比于左舷來流，在右舷來流狀態(tài)下，流場(chǎng)中也主要存在六種渦結(jié)構(gòu)，唯一不同的是，來流在右舷邊緣分離，形成了右舷邊緣分離渦。類似于左舷來流，這些渦結(jié)構(gòu)都存在高湍動(dòng)能區(qū)域。在一個(gè)縱搖周期中，發(fā)現(xiàn)各種渦結(jié)構(gòu)也都隨甲板的浮沉而上下?lián)u擺，同樣地，煙囪尾渦、機(jī)庫尾渦和槳尖渦會(huì)混合在一起，形成具有高湍動(dòng)能的混合渦系，速度脈動(dòng)較大，影響旋翼的氣動(dòng)特性。旋翼脫落的一圈一圈的槳尖渦和煙囪尾渦順著來流方向向左后發(fā)展。

圖13 G30°的渦結(jié)構(gòu)分布圖Fig.13 Distribution of vortical structures in G30°

圖14 給出了右舷來流狀態(tài)下的渦量云圖，在艦船的縱搖運(yùn)動(dòng)過程中，渦量較大的區(qū)域都順著來流向左后方發(fā)展?？梢杂^察到，在T/2 時(shí)刻，旋翼脫落的槳尖渦結(jié)構(gòu)較為完整，機(jī)庫和旋翼之間的渦量很小，表明在該時(shí)刻煙囪尾渦和機(jī)庫尾渦對(duì)旋翼氣動(dòng)力的影響較小。隨著甲板的繼續(xù)上浮，甲板和旋翼的距離也越來越近，導(dǎo)致機(jī)庫后方的渦流區(qū)更加紊亂，機(jī)庫和旋翼之間的渦量明顯增大。與左舷來流相比，主要的區(qū)別在于兩種來流下大渦量區(qū)域的分布近似左右對(duì)稱。

圖14 G30°的渦量云圖Fig.14 Distribution of vorticity in G30°

對(duì)于圖15 中的垂向速度分布，也有類似的現(xiàn)象。由于是右舷來流，氣流在經(jīng)過槳盤右側(cè)受到阻礙后，形成了明顯的上洗氣流，順著來流方向向左后方發(fā)展，與左舷來流時(shí)的垂向速度分布呈近似左右對(duì)稱。在T/2 時(shí)刻，甲板的上揚(yáng)使得甲板上方的上洗氣流區(qū)域最大，因此槳葉的來流迎角有所增加，旋翼拉力變大。相反，在T時(shí)刻，甲板上方的下洗區(qū)域會(huì)造成旋翼拉力的損失。值得注意的是，對(duì)于這兩種不同方向的來流，旋翼附近產(chǎn)生的強(qiáng)下洗區(qū)域都在前行槳葉的后方出現(xiàn)。

圖15 G30°的垂向速度云圖Fig.15 Distribution of vertical velocity in G30°

同樣地，在右舷來流下，旋翼的前行槳葉和后行槳葉由于來流速度不同導(dǎo)致受力不同，旋翼旋轉(zhuǎn)一圈得到的拉力出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，如圖16（a）所示，且在旋轉(zhuǎn)一圈中（0.2 s）拉力也出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，與左舷來流狀態(tài)下的拉力變化一致。隨著艦船的縱搖運(yùn)動(dòng)，旋翼拉力變化趨勢(shì)也基本呈正弦波分布，其平均值的最大值在T/2 附近，約為19 200 N。在T時(shí)刻附近，旋翼拉力降到了最小，約為18 000 N。峰值相差1 200 N，拉力降低了約6%，也需要引起飛行員的注意，及時(shí)采取相應(yīng)措施以防止直升機(jī)突然下墜，保障艦載直升機(jī)甲板作業(yè)的安全性。圖16（b）給出了右舷來流狀態(tài)下最后3 個(gè)縱搖周期中旋翼拉力的平均值變化圖。從縱搖的整體過程來看，旋翼拉力也隨著艦船周期性的搖擺呈現(xiàn)出近似周期性的變化，且周期與縱搖周期基本保持一致。

圖16 G30°狀態(tài)下的旋翼拉力變化Fig.16 Variations of rotor thrust in G30° state

在右舷來流下，3 個(gè)高度處的速度分量也都沒有呈現(xiàn)出周期性變化（圖17）。對(duì)于縱向速度，9 m 高度處的縱向速度最大，而5 m 高度處的縱向速度最小。對(duì)于橫向速度，較高位置處的速度在整個(gè)縱搖運(yùn)動(dòng)中基本為負(fù)值，表示向左舷的橫向流動(dòng)，而5 m 高度處的橫向流動(dòng)在該位置發(fā)生了明顯的變向。對(duì)于垂向速度，9 m 高度處的垂向速度基本都處于旋翼的下洗流中，受到縱搖運(yùn)動(dòng)的影響最弱，因此變化范圍也最??；而5 m 和7 m 高度處的流動(dòng)會(huì)伴隨著上洗流和下洗流的交替變化，其中5 m 高度處的垂向速度的變化范圍最大，大約在10 m/s 的下洗流和5 m/s 的上洗流之間波動(dòng)，如果直升機(jī)在起降過程中經(jīng)歷這種垂向氣流的明顯變化，會(huì)導(dǎo)致旋翼拉力的振蕩。

圖17 G30°狀態(tài)下觀測(cè)點(diǎn)的速度分量變化Fig.17 Variations of velocity components in G30° state

3.3 兩種來流下的流場(chǎng)差異

為了更清楚地對(duì)比兩種斜風(fēng)狀態(tài)下的流場(chǎng)差異，圖18 和圖19 分別從旋翼拉力和速度分量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)兩種來流下的流場(chǎng)差異進(jìn)行了對(duì)比分析。在一個(gè)縱搖周期中，左舷來流狀態(tài)下的拉力波動(dòng)范圍要稍小于右舷來流狀態(tài)，但是兩種來流下旋翼拉力的位移平均值大小和變化趨勢(shì)比較相近，最大值分別為19 100 N和19 200 N，最小值分別為16 600 N 和18 000 N，這主要是艦船的幾何對(duì)稱性造成的。從相同的槳葉相位開始，在每半圈中（0.1 s），兩者的拉力波動(dòng)變化呈反同步趨勢(shì)，當(dāng)左舷來流中的旋翼拉力增加時(shí)，右舷來流中的旋翼拉力隨之減小，。兩者的拉力曲線存在一定的相位差，因?yàn)閷?duì)于左旋旋翼，當(dāng)來流方向不同時(shí)，前行槳葉和后行槳葉的位置會(huì)形成相位差，導(dǎo)致兩種狀態(tài)下的拉力相位差。

圖18 兩種狀態(tài)下的旋翼拉力對(duì)比Fig.18 Comparisons of rotor thrust between two states

圖19 兩種狀態(tài)下的速度分量對(duì)比Fig.19 Comparisons of velocity components between two states

圖19 中給出了兩種狀態(tài)下的縱向速度、橫向速度和垂向速度的對(duì)比，其中“G30°H5”表示右舷30°來流狀態(tài)下的5 m 高度位置，u、v、w分別表示縱向速度、橫向速度和垂向速度。對(duì)于不同高度，兩種狀態(tài)下的縱向速度和垂向速度分布基本一致，只有橫向速度出現(xiàn)了方向上的不同。整體來看，兩種斜風(fēng)狀態(tài)下的速度分量大小和變化趨勢(shì)基本保持一致。

4 結(jié)論

真實(shí)海況下，艦船的六自由度搖擺運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇惡化甲板上方的流場(chǎng)環(huán)境，從而威脅到艦載直升機(jī)在甲板上的安全性。本文采用SFS2-雙槳旋翼耦合模型，通過CFD 方法，在兩種斜風(fēng)狀態(tài)下（左舷30°和右舷30°），對(duì)周期性簡(jiǎn)諧縱搖運(yùn)動(dòng)中的機(jī)-艦耦合流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究得到以下結(jié)論：

1）該機(jī)-艦耦合流場(chǎng)中主要存在六種渦結(jié)構(gòu)，分別是艦艏渦、左（右）舷邊緣分離渦、煙囪尾渦、機(jī)庫尾渦、槳尖渦和艦艉渦，且都存在高湍動(dòng)能區(qū)域。縱搖運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)甲板上方的垂向氣流以及渦結(jié)構(gòu)造成明顯的影響。隨著艦船的搖擺，機(jī)庫后方出現(xiàn)了明顯的混合渦結(jié)構(gòu)，即煙囪尾渦、機(jī)庫尾渦和槳尖渦會(huì)混合在一起，形成“渦-渦”干擾的復(fù)雜流場(chǎng)。

2）對(duì)于兩種斜風(fēng)來流，簡(jiǎn)諧縱搖運(yùn)動(dòng)中的旋翼拉力都具有近似周期性的變化，其周期與縱搖周期一致，且拉力平均值的最大值在T/2 時(shí)刻附近（甲板上揚(yáng)至水平位置），最小值在T時(shí)刻附近（甲板下沉至水平位置）。對(duì)于左舷和右舷來流，拉力分別降低了約13%和6%，可能會(huì)影響艦載直升機(jī)甲板作業(yè)的安全性，需要飛行員及時(shí)采取相應(yīng)措施，調(diào)整總距，以防止直升機(jī)突然掉高度，造成飛行事故。

3）對(duì)于右旋旋翼，左舷來流狀態(tài)下的拉力波動(dòng)范圍小于右舷來流狀態(tài)，據(jù)此可針對(duì)特定旋翼選取有利風(fēng)向進(jìn)行甲板起降作業(yè)。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)兩種狀態(tài)下的拉力波動(dòng)變化呈反同步趨勢(shì)，但是速度分量大小和變化趨勢(shì)基本保持一致。