1.3 艦船艦面非定常流動環境

直升機的艦面起降，特別是在驅逐艦等中、小型艦船上起降，要比在地面執行同樣飛行任務困難而且危險。由于艦船艉部流場中復雜的流動結構對直升機著艦過程中的操穩性能影響極大，嚴重威脅著直升機在艦面的安全起降。因此，開展艦船艉流場研究，分析其復雜流場的形成機理與流場結構，進而通過研究流場控制技術改善艉流場環境，提高艦載直升機艦面起降的安全性，是一項極具實際意義的工作。相對風掠過機庫時會產生陡壁體效應（見圖1.1），在其后方形成分離區、下洗區、紊亂流區等（見圖1.2）。

對常規艦船而言，這種流場并無害處，但裝備艦載直升機后，由于鈍體結構機庫一般位于飛行甲板前方，直升機飛臨甲板時，會進入機庫后方的紊亂流場內，這種流場對直升機的影響主要體現在以下幾個方面[99][100]：

（1）紊亂流動具有很大的隨機性，給機體附加了一個隨時間變化的氣動載荷，影響到機體的結構壽命。

（2）強烈的紊亂流動增加了保持直升機航跡和姿態的困難程度。

（3）紊亂流動增加了乘員的不舒適感。

（4）紊亂流動區域為低壓區，直升機驟然進入該區域時，駕駛員有直升機被吸向機庫的感覺，易造成事故。

（5）直升機著艦前在艦面相對懸停時，實際上是處于前飛或側飛狀態，此時旋翼所在的環境流場中，機庫陡壁效應引起的氣流下沖分量所占的比例較大，甚至超過旋翼的垂向誘導速度。下沖氣流的不均勻分布特性會導致直升機前沖進入分離區，嚴重時會造成直升機沖撞機庫的重大事故。

1.3.1 計算模型

SFS模型為國際通用的簡單護衛艦模型，如圖1.3所示。SFS模型的具體尺寸如圖1.4所示，其中H=80mm，船寬B=2.5H，甲板長度L2=4.0H，其他長度L1=8.5H, H1=0.75H, H2=H+H1, BX /H=4.0, BL/H=1.0, BW /H=0.5, BH/H=1.0。

由于SFS風洞模型的機庫門處于關閉狀態，為了研究護衛艦船的機庫大門開關狀態對艉流場的影響，因此我們對SFS模型的機庫部分進行了修改。修改后的模型及尺寸如圖1.5所示，分別為機庫門全開的SFS模型及機庫門半開的SFS模型。

1.3.2 仿真結果

SFS護衛艦簡化模型呈現的是在船艏處為前臺階流動，緊接著在飛行甲板和船體艉部處為后臺階流動的繞流現象，在飛行甲板處的流場結構是在三維后臺階流動中最常見的。氣流在機庫頂部的剪切層分離并且在飛行甲板上的再附著，如圖1.6所示，0°風向角下，相對風掠過這種建筑外形時會產生陡壁體效應，在其后方形成分離區、下洗區、紊亂流區等，同時包含了具有對稱性的兩個渦團[101][102]。

分別采用基于SA模型的DES方法與定常SA湍流模型對0°風向角與左舷20°風向角下進行計算，并將結果與風洞試驗結果[103][104]進行對比。

綜上可以看出，對于鈍體大分離流動，使用非定常計算方法無論是流場結構的刻畫，還是對流場參數的預測，都要優于定常的RANS計算。圖1.7～圖1.8分別為0°風向角下縱截面y/b=0處與俯視截面z/H=0.5處的流場對比。從圖中可以明顯看出，與風洞試驗相比較，非定常計算能夠獲取更為準確的流場結構，定常計算所預測的回流區范圍偏大，并且定常計算所得到的馬蹄渦形狀更趨于對稱。

圖1.9為右舷20°自由來流風向角下俯視截面z/H=0.5處的流場對比圖。從對比圖中可以看出，當側向風流經船體時，艉部回流區的形狀和位置均會發生改變，與定常計算的結果相比，非定常時均結果整體的趨勢以及主要的流場特征與風洞試驗結果均吻合得較好。

圖1.10（a）、（b）分別為0°與右舷20°風向角下艉部飛行甲板中心上方直線上的速度分布與湍動能分布對比曲線。其中，湍動能的定義為：

式中，Ii為i方向上的湍動能；σi為i方向上速度分量的標準差；U∞為自由來流的速度，湍動能能夠表征速度瞬時脈動的強度。從圖1.10中可以更加直觀地看出定常計算與非定常計算對艉部大分離流場數值模擬能力的差別，雖然定常計算的結果與風洞試驗結果保持了整體趨勢的一致，但是與非定常時均結果相比，仍有一定的差異。在絕大部分的對比點上，非定常時均結果與風洞試驗結果吻合度很好，最大的差異均在0.75H高度處，發生于0°風向角時Iu處與20°風向角時Iv處。

綜上可以看出，對于鈍體大分離流動，使用非定常計算方法無論是流場結構的刻畫，還是對流場參數的預測，都要優于定常的RANS計算。