動(dòng)基座近艦面流場(chǎng)數(shù)值模擬

李旭，祝小平，周洲,*，郭佳豪

1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072 2. 西北工業(yè)大學(xué) 無(wú)人機(jī)特種技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065

航空母艦是艦載機(jī)活動(dòng)的重要場(chǎng)所，其甲板的流動(dòng)將直接影響艦載機(jī)能否安全起降。因此，對(duì)航母甲板流場(chǎng)的研究就顯得非常重要。通常，艦船氣流場(chǎng)是以分離流為主要特征的流場(chǎng)，分離區(qū)的流動(dòng)對(duì)旋翼和固定翼的正常作業(yè)均會(huì)產(chǎn)生較大影響[1]。對(duì)航母而言，氣流經(jīng)過(guò)艦首一般會(huì)產(chǎn)生上洗，遇到艦島時(shí)，會(huì)在其后方形成大的分離區(qū)，而當(dāng)氣流到艦尾時(shí)，又會(huì)突然下沉然后再上升，形成公雞尾流[2]。同時(shí)，實(shí)際航行中，航母還會(huì)出現(xiàn)一定程度的搖晃[3-4]，復(fù)雜的流場(chǎng)使得艦載機(jī)的起降變得更加困難。因此，只有對(duì)航母流場(chǎng)有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)，才能為艦載機(jī)的安全起降提供指導(dǎo)。

目前，對(duì)孤立艦船流場(chǎng)的研究，可分為靜止和運(yùn)動(dòng)兩種狀況。靜止艦船流場(chǎng)的研究相對(duì)較多，主要有：Polsky等[5-7]對(duì)兩棲攻擊艦(LHA)和核動(dòng)力航母(CVN)模型進(jìn)行了一系列的計(jì)算，其研究了雷諾數(shù)無(wú)關(guān)性和馬赫數(shù)無(wú)關(guān)性，表明網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)分離區(qū)流動(dòng)的預(yù)測(cè)至關(guān)重要；郜冶等[8-10]采用雷諾平均Navier-Stokes(RANS)方程對(duì)不同風(fēng)向下艦船的流場(chǎng)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示島型建筑的形狀和位置對(duì)下游氣流場(chǎng)渦旋結(jié)構(gòu)的形態(tài)影響較大。與此相比，艦船處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下氣流場(chǎng)的研究還比較有限。王偉[11]采用Fluent研究了俄羅斯某大型艦船(RCSM)在橫搖運(yùn)動(dòng)中的氣流場(chǎng)特性，發(fā)現(xiàn)在船體角速度最大的位置，運(yùn)動(dòng)對(duì)甲板上流場(chǎng)的影響更加突出；安軍[12]基于混合網(wǎng)格，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和VOF(Volume of Fluid)法對(duì)航母在俯仰和垂蕩情況下的尾流進(jìn)行了分析，表明飛機(jī)下滑軌跡上垂向速度波動(dòng)的周期性相比水平方向更明顯。此外，還有一些文獻(xiàn)對(duì)艦船的耐波性和自由液面的精確模擬[13-14]進(jìn)行了研究。

近幾年，隨著CFD技術(shù)的進(jìn)步，艦載機(jī)和艦船耦合流場(chǎng)的研究逐漸興起，主要有：郜冶和謝輝松[15]研究了艦載機(jī)滑躍起飛過(guò)程對(duì)艦面氣流分布的影響，表明飛機(jī)起飛時(shí)對(duì)甲板上方流場(chǎng)有較大影響，但運(yùn)動(dòng)時(shí)飛機(jī)的飛行高度沒(méi)有變化，且缺少對(duì)艦載機(jī)本身氣動(dòng)特性的分析；Crozon等[16]利用HMB2代碼計(jì)算了旋翼和加拿大巡邏護(hù)衛(wèi)艦(CPF)的相互干擾，對(duì)比了激勵(lì)盤(pán)模型和真實(shí)槳葉的差別，表明利用定常計(jì)算的激勵(lì)盤(pán)模型可以較好地預(yù)測(cè)流場(chǎng)的主要特征；蘇大成等[17]采用動(dòng)量源的方法對(duì)旋翼進(jìn)行等效，對(duì)直升機(jī)著艦過(guò)程中的復(fù)雜干擾進(jìn)行了分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了動(dòng)量源對(duì)干擾流場(chǎng)模擬的有效性。

可以看出，旋翼和艦船的耦合流場(chǎng)研究相對(duì)較多，且重點(diǎn)在旋翼的等效[18-19]和艦面流場(chǎng)的重構(gòu)[20]上，已經(jīng)取得了一些成果。而固定翼飛機(jī)與航母耦合流場(chǎng)的研究相對(duì)較少，特別是缺少在航母運(yùn)動(dòng)情況下固定翼飛機(jī)著艦的數(shù)值模擬。已有的一些研究只是根據(jù)簡(jiǎn)化的尾流模型[21]對(duì)艦載機(jī)的著艦進(jìn)行飛行力學(xué)仿真，但很難刻畫(huà)出耦合流場(chǎng)的真實(shí)特性。

針對(duì)固定翼飛機(jī)著艦數(shù)值研究較少的現(xiàn)狀，本文開(kāi)展了在航母復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)下艦載機(jī)的著艦?zāi)M。基于商業(yè)軟件Fluent,以飛翼無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行了航母運(yùn)動(dòng)情況下無(wú)人機(jī)著艦流場(chǎng)的計(jì)算與分析。首先，通過(guò)與已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，找到適合于艦船流場(chǎng)模擬和動(dòng)邊界計(jì)算的數(shù)值方法；然后，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格局部加密、水面影響等因素進(jìn)行分析，確立適合本文動(dòng)基座近艦面流場(chǎng)計(jì)算的數(shù)值模擬方法；最后，分別在航母垂蕩處于不同相位的情況下，對(duì)無(wú)人機(jī)的著艦過(guò)程進(jìn)行分析，為艦載機(jī)的著艦仿真和控制提供參考。

1 計(jì)算方法與算例驗(yàn)證

1.1 SFS2艦船算例

為了驗(yàn)證本文建立的艦船流場(chǎng)數(shù)值模擬方法的可靠性，選用國(guó)內(nèi)外常用的簡(jiǎn)單護(hù)衛(wèi)艦SFS2(Simple Frigate Shape2)作為驗(yàn)證模型[22]，如圖1所示。其主要尺寸為:長(zhǎng)l=138.684 m，寬b=13.716 m,高h(yuǎn)=16.764 m。

圖1 SFS2模型Fig.1 SFS2 model

脫體渦模擬(Detached Eddy Simulation, DES)在對(duì)大尺度分離渦預(yù)測(cè)上優(yōu)勢(shì)明顯，因此本文研究了其與RANS方程在艦船流場(chǎng)模擬上的差異。另外，考慮到不關(guān)心船本身的受力特性，同時(shí)也為了減少網(wǎng)格量，基于RANS方程，本文又對(duì)比了SFS2表面有/無(wú)附面層對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。其中，無(wú)附面層的網(wǎng)格為409萬(wàn)，有附面層的網(wǎng)格為533萬(wàn)，兩種網(wǎng)格對(duì)比如圖2所示。

湍流模型均采用剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SST)k-ω[23]，計(jì)算條件為不可壓、海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。在飛行甲板長(zhǎng)度50%處(如圖1線(xiàn)段所示)、高度與機(jī)庫(kù)平齊處沿z軸取一條長(zhǎng)度為船寬b的線(xiàn)段，取這條線(xiàn)段上3個(gè)方向的速度(非定常計(jì)算為時(shí)均結(jié)果)，無(wú)量綱化后與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖3所示，V∞表示自由來(lái)流速度，Vx，Vy，Vz分別對(duì)應(yīng)圖1坐標(biāo)系中3個(gè)方向的分速度。

圖2 不同網(wǎng)格比較Fig.2 Comparisons of different meshes

由圖3可知，整體來(lái)看4種計(jì)算狀態(tài)得到的結(jié)果趨勢(shì)基本一致，但DES計(jì)算的3個(gè)方向的速度能與試驗(yàn)更好的吻合，差別主要體現(xiàn)在x方向的速度上。同時(shí)，還可以看出利用RANS計(jì)算時(shí)，有附面層和無(wú)附面層的網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果差別不是很大，定常計(jì)算與非定常時(shí)均的結(jié)果也類(lèi)似。

圖3 SFS2數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)的對(duì)比Fig.3 Comparison of SFS2 using CFD and test

雖然DES計(jì)算的精度更好些，但其計(jì)算花費(fèi)最大，考慮到之后的計(jì)算需要耦合無(wú)人機(jī)著艦，采用RANS方法對(duì)航母流場(chǎng)進(jìn)行模擬是比較可行的，且能夠滿(mǎn)足一定的精度。

1.2 計(jì)算模型

本文使用的航母和無(wú)人機(jī)模型如圖4所示。航母甲板為斜直兩段式，坐標(biāo)原點(diǎn)位于靜止航母船首甲板最左端的頂點(diǎn)，長(zhǎng)260 m，寬60 m，吃水10 m，水線(xiàn)以上高度為44.782 m，甲板距水線(xiàn)15 m 左右。3個(gè)軸的方向如圖4(a)所示，且坐標(biāo)系不隨航母運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。無(wú)人機(jī)對(duì)地速度大小為60 m/s，其下滑軌跡的投影通過(guò)航母斜甲板中心線(xiàn)，與x軸夾角為9°，如圖4(b)所示。無(wú)人機(jī)下滑角為4°，航跡角為0°，求得無(wú)人機(jī)對(duì)地3個(gè)方向的速度分別為：Vx=-59.116 9 m/s，Vy=-9.363 2 m/s，Vz=-4.185 4 m/s。

取風(fēng)的速度為15 m/s，當(dāng)風(fēng)向?yàn)?°時(shí)，無(wú)人機(jī)相對(duì)于空氣的速度為：Vx=74.116 9 m/s，Vy=9.363 2 m/s，Vz=4.185 4 m/s，合速度V=74.823 1 m/s，迎角α=3.208 2°，側(cè)滑角β=1.797 1°，為右側(cè)滑。

圖4 計(jì)算模型Fig.4 Calculation model

考慮計(jì)算花費(fèi)，選取無(wú)人機(jī)著艦階段最后2 s進(jìn)行數(shù)值模擬。無(wú)人機(jī)起始重心坐標(biāo)為(371.832 6,30.595 3,13.188 0)，勻速降落2 s后，重心坐標(biāo)為(253.598 8,11.868 8,4.817 0)，此時(shí)無(wú)人機(jī)完全處于甲板上方，分析該階段無(wú)人機(jī)在穿越航母尾跡過(guò)程中氣動(dòng)特性的變化。

1.3 嵌套網(wǎng)格驗(yàn)證

由于航母和無(wú)人機(jī)尺寸差別巨大，因此，在建立背景網(wǎng)格時(shí)，需要考慮二者的尺寸和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，合理劃分網(wǎng)格，從而減少網(wǎng)格量。在航母運(yùn)動(dòng)區(qū)域和無(wú)人機(jī)著艦區(qū)域進(jìn)行局部加密，如圖5所示。

為了驗(yàn)證局部加密網(wǎng)格的可靠性，對(duì)無(wú)人機(jī)不采用嵌套定常計(jì)算的結(jié)果和嵌套計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較。采用不可壓RANS方程，非定常計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)Δt=0.005 s，內(nèi)迭代次數(shù)為10，無(wú)人機(jī)無(wú)附面層。

計(jì)算結(jié)果如圖6所示，Ca表示氣動(dòng)力系數(shù),包括升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)CD；Cm表示氣動(dòng)力矩系數(shù)，包括俯仰力矩系數(shù)Cmy，滾裝力矩系數(shù)Cmx和偏航力矩系數(shù)Cmz。通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，采用局部加密網(wǎng)格計(jì)算得到的氣動(dòng)力和力距與定常計(jì)算的結(jié)果基本一致，表明可以利用局部加密的方法來(lái)減少網(wǎng)格量，所建立的嵌套網(wǎng)格是可行的。同時(shí)，還可以看出，在0°風(fēng)向下，有/無(wú)附面層對(duì)無(wú)人機(jī)氣動(dòng)特性沒(méi)有大的影響。因此，可采用無(wú)附面層的網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)人機(jī)著艦計(jì)算。

圖5 局部加密嵌套網(wǎng)格Fig.5 Overset mesh of local refine

圖6 局部加密計(jì)算驗(yàn)證Fig.6 Verification of local refine computation

1.4 水面影響分析

為了比較水面對(duì)航母流場(chǎng)的影響，將航母分別在單相流和兩相流中的流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比。4種計(jì)算狀態(tài)分別為

狀態(tài)1單相流，網(wǎng)格沒(méi)有嵌套，介質(zhì)為空氣，來(lái)流沿x正方向，速度為15 m/s，航母懸空，完全處于空氣之中，進(jìn)行定常計(jì)算。

狀態(tài)2單相流，采用嵌套網(wǎng)格，介質(zhì)為空氣，來(lái)流沿x正方向，速度為15 m/s，航母懸空，完全處于空氣之中，進(jìn)行定常計(jì)算。

狀態(tài)3兩相流，網(wǎng)格沒(méi)有嵌套，介質(zhì)為空氣和水，速度均沿x正方向，大小為15 m/s，航母處于氣液兩相流中，采用VOF方法對(duì)自由液面進(jìn)行捕捉，取時(shí)均結(jié)果。

狀態(tài)4航母水線(xiàn)以下部分被切除，海平面設(shè)為物面，取0°風(fēng)向下定常計(jì)算的結(jié)果。

采用壓力速度耦合算法，速度入口和壓力出口邊界，SSTk-ω湍流模型，非定常計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)Δt=0.005 s，內(nèi)迭代次數(shù)為10次。

兩相流計(jì)算波形如圖7所示。由圖可知，航母的兩側(cè)存在明顯的Kelvin波，表明計(jì)算較好地捕捉到了自由液面。截取x=210 m截面，比較甲板上的速度。

從圖8速度云圖可以看出，圖8(c)和圖8(d)中，航母在兩側(cè)受水面和物面的影響，速度分布與圖8(a)和圖8(b)存在差異，但4種情況計(jì)算的甲板上的流場(chǎng)速度分布基本一致，表明甲板上的流場(chǎng)受下方流動(dòng)影響較小。

對(duì)比無(wú)人機(jī)下滑軌跡(圖4(a))上的速度分布，如圖9所示。由圖可以看出，雖然下滑軌跡3個(gè)方向速度在數(shù)值上存在一些差異，但其變化趨勢(shì)基本一致。這表明，不管是有水或沒(méi)水，或者航母處于懸空狀態(tài)，甲板下方的流動(dòng)對(duì)甲板上方及著艦區(qū)域的流場(chǎng)影響不大。同時(shí)，也表明狀態(tài)2的嵌套網(wǎng)格適用于航母流場(chǎng)的計(jì)算。

圖7 自由液面波Fig.7 Free water surface wave

圖8 參考截面速度比較Fig.8 Comparison of velocities at reference cross-section

圖9 下滑軌跡速度比較Fig.9 Comparison of velocities of landing track

再取兩相流計(jì)算y=10 m截面，航母尾部流場(chǎng)如圖10所示，表明航母尾部的自由液面是不平整的，這使得此處的流動(dòng)會(huì)發(fā)生一定變化。但是由于航母的甲板以及無(wú)人機(jī)著艦區(qū)域距水面較遠(yuǎn)，因此水面對(duì)其上方的流場(chǎng)沒(méi)有明顯的影響。

圖10 兩相流航母尾跡Fig.10 Ship airwake in two-phase flow

由于兩相流計(jì)算非常耗費(fèi)時(shí)間，為簡(jiǎn)化計(jì)算，之后對(duì)航母和無(wú)人機(jī)著艦的計(jì)算，均忽略了水的影響，采用在空氣中運(yùn)動(dòng)的方式。

2 孤立航母流場(chǎng)

航母航行時(shí)的運(yùn)動(dòng)如圖11所示，OsXsYsZs為航母體軸坐標(biāo)系[2]。美國(guó)海軍規(guī)定[4]無(wú)人機(jī)著艦時(shí)，航母的橫搖不能超過(guò)7°、縱搖不能超過(guò)2°、艦尾下沉或上升不能大于1.5 m，從而保證艦載機(jī)能安全著艦。由于垂蕩對(duì)航母流場(chǎng)影響比較明顯，因此本文只研究了垂蕩，航母垂蕩的周期取T=4 s，運(yùn)動(dòng)方式為

H(m)=1.5sin(0.5πt)

(1)

航母的垂蕩幅值為1.5 m，當(dāng)無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)2 s時(shí)，航母運(yùn)動(dòng)剛好半個(gè)周期。當(dāng)垂蕩處于0°相位時(shí)，航母位移為0 m，其上升速度最大；當(dāng)垂蕩處于180°相位時(shí)，航母位移為0 m，其下降速度最大。

首先，利用單獨(dú)航母進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。生成3套嵌套網(wǎng)格，網(wǎng)格量分別為305萬(wàn)，450萬(wàn)和600萬(wàn)，對(duì)靜止航母進(jìn)行非定常計(jì)算，取下滑軌跡3個(gè)方向時(shí)均速度進(jìn)行對(duì)比。如圖12所示，可以看出，3套嵌套網(wǎng)格計(jì)算得到的下滑軌跡上的時(shí)均速度基本一致。從減小計(jì)算花費(fèi)的角度出發(fā)，以后可采用第1套網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

圖11 航母運(yùn)動(dòng)示意圖[2]Fig.11 Schematic of ship motion[2]

圖12 不同網(wǎng)格時(shí)均速度比較Fig.12 Comparison of time-averaged velocities at different mesh quantities

因此，最終確定航母、無(wú)人機(jī)、背景網(wǎng)格的網(wǎng)格參數(shù)如表1所示。利用確定的網(wǎng)格，對(duì)單獨(dú)航母進(jìn)行垂蕩計(jì)算，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中航母阻力D曲線(xiàn)如圖13所示。由圖可知，航母的垂蕩運(yùn)動(dòng)使得其阻力也呈現(xiàn)出周期性的變化，在t>32 s后，阻力振蕩幅值基本穩(wěn)定，表明運(yùn)動(dòng)加載是正確的。

表1 網(wǎng)格參數(shù)Table 1 Mesh parameters

圖13 航母垂蕩阻力曲線(xiàn)Fig.13 Drag history of aircraft carrier in heave motion

2.1 三維流場(chǎng)

利用Q準(zhǔn)則[24]對(duì)尾流的渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷。取Q=0.003等值面，在t=36 s時(shí)刻，比較靜止航母和運(yùn)動(dòng)航母的流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)，如圖14 所示。由圖14(a)可知，對(duì)于靜止航母，在艦島后方和航母尾部中間區(qū)域存在周期性脫落渦，且渦結(jié)構(gòu)尺度較大；當(dāng)航母做正弦垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)，由圖14(b)可知，航母兩側(cè)和艦首均存在向后脫落的渦結(jié)構(gòu)，在航母尾跡區(qū)域渦的分布更加復(fù)雜，且以小尺度渦為主。由此可知，無(wú)人機(jī)在航母處于不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下著艦，將遭遇不同結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)。

圖14 等值渦結(jié)構(gòu)比較Fig.14 Comparison of iso-surfaces of vorticity

2.2 尾跡速度

航母尾跡的流動(dòng)會(huì)直接影響無(wú)人機(jī)著艦。為了對(duì)尾跡速度有一個(gè)更清楚的認(rèn)識(shí)，有必要對(duì)航母靜止和垂蕩時(shí)無(wú)人機(jī)下滑軌跡上的速度進(jìn)行研究。

首先，根據(jù)圖4(a)，取無(wú)人機(jī)下滑軌跡上的監(jiān)視點(diǎn)1、監(jiān)視點(diǎn)3和監(jiān)視點(diǎn)5，對(duì)這3點(diǎn)速度隨時(shí)間的變化進(jìn)行分析(如圖15所示)，3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的x坐標(biāo)分別為x=253.6，289.1，371.8 m。

由圖15可知，t=10 s以后，靜止航母監(jiān)視點(diǎn)的速度呈現(xiàn)出周期性的變化，周期大約是4～5 s，且隨著遠(yuǎn)離航母速度波動(dòng)的幅值逐漸減弱，在監(jiān)視點(diǎn)5的位置速度基本沒(méi)有變化。由于監(jiān)視點(diǎn)1在甲板上方，甲板上存在分離渦，如圖14(a)所示，因而影響最明顯。相比靜止航母，運(yùn)動(dòng)航母的流場(chǎng)變得更加復(fù)雜。從圖15(f)可以看出，由于垂蕩的作用，3個(gè)監(jiān)視點(diǎn)的Vz振蕩幅值均有所增強(qiáng)，這將對(duì)無(wú)人機(jī)的正常著艦帶來(lái)更大影響。

取不同時(shí)刻無(wú)人機(jī)下滑軌跡上的速度分布進(jìn)行對(duì)比，如圖16所示。由圖16(a)～圖16(c)可以看出，靜止航母速度的波動(dòng)集中于x<300 m，更加靠近航母尾部。而在航母垂蕩時(shí)，整個(gè)下滑軌跡上的速度一直處于波動(dòng)的狀態(tài)，特別是圖16(f)中的Vz，在t=34.0 s時(shí)，x=260～280 m，Vz的變化幅值高達(dá)4 m/s。相比靜止航母，運(yùn)動(dòng)航母的尾跡流場(chǎng)變得更加復(fù)雜，與圖14的結(jié)論是一致的。

由于垂蕩情況下，航母流場(chǎng)波動(dòng)劇烈，很難根據(jù)某個(gè)時(shí)刻下滑軌跡上的速度分布來(lái)分析無(wú)人機(jī)著艦過(guò)程中氣動(dòng)力的變化。因此，根據(jù)無(wú)人機(jī)的著艦過(guò)程，時(shí)間間隔取0.1 s，將單獨(dú)航母靜止和運(yùn)動(dòng)情況下無(wú)人機(jī)下滑軌跡不同時(shí)刻的速度進(jìn)行對(duì)比，如圖17所示。其中，著艦1指0°相位著艦，32.0～34.0 s內(nèi)無(wú)人機(jī)下滑軌跡不同時(shí)刻的速度分布；著艦2指180°相位著艦，34.0 s～36.0 s內(nèi)無(wú)人機(jī)下滑軌跡不同時(shí)刻的速度分布。由圖可知，不同相位下著艦，無(wú)人機(jī)下滑軌跡的速度分布是不同的。

圖15 監(jiān)視點(diǎn)速度比較Fig.15 Comparisons of velocities at monitor points

圖16 下滑軌跡速度比較Fig.16 Comparisons of velocities of landing track

圖17 著艦過(guò)程下滑軌跡速度Fig.17 Velocities of landing track during carrier landing

3 艦載機(jī)/航母耦合流場(chǎng)分析

對(duì)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)航母的流場(chǎng)進(jìn)行研究后，就需要進(jìn)一步耦合無(wú)人機(jī)，進(jìn)行動(dòng)基座無(wú)人機(jī)著艦的研究。從第2節(jié)計(jì)算可以看出，不同相位情況下，下滑軌跡的速度分布是不同的，因此，當(dāng)無(wú)人機(jī)在航母處于不同相位的情況下著艦時(shí)，其遭遇的流場(chǎng)有差異，需要加以分析。本節(jié)對(duì)0°和180°兩種相位下無(wú)人機(jī)的著艦過(guò)程進(jìn)行模擬，比較兩種情況下無(wú)人機(jī)氣動(dòng)特性變化的差異。

計(jì)算采用的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖18所示。在計(jì)算過(guò)程中，航母和無(wú)人機(jī)區(qū)域的網(wǎng)格將按照指定方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，計(jì)算過(guò)程中嵌套的邊界不斷更新，進(jìn)行流場(chǎng)信息的傳遞。

取航母垂蕩情況下t=33.0 s時(shí)，有/無(wú)無(wú)人機(jī)存在兩種狀態(tài),無(wú)人機(jī)下滑面上的Vz對(duì)比如圖19 所示。在t=33.0 s時(shí)，無(wú)人機(jī)降落剛好1 s。 從圖19(a)可知，x=312.7 m的四周都是下洗區(qū)，無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)到此處升力必然要減小。在x>312.7 m時(shí)，無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)的區(qū)域其后方下洗明顯，與單獨(dú)航母的速度差異明顯；在x<312.7 m 時(shí)，無(wú)人機(jī)還未運(yùn)動(dòng)到的地方，圖19(a)和圖19(b)的Vz分布基本一致，表明無(wú)人機(jī)對(duì)其前方較遠(yuǎn)的流場(chǎng)影響不是很大，其余各個(gè)時(shí)刻也有類(lèi)似的結(jié)論。因此，可以用單獨(dú)航母流場(chǎng)來(lái)分析無(wú)人機(jī)著艦過(guò)程中氣動(dòng)特性的變化。

圖18 網(wǎng)格布局Fig.18 Mesh layout

3.1 0°相位著艦

由于無(wú)人機(jī)的著艦時(shí)間是航母運(yùn)動(dòng)周期的一半。因此，此時(shí)開(kāi)始著艦，航母會(huì)先向上運(yùn)動(dòng)再向下運(yùn)動(dòng)，回到平衡位置時(shí)，無(wú)人機(jī)剛好完成著艦，和航母的相對(duì)高度與航母靜止時(shí)著艦保持一致。計(jì)算時(shí)間為32.0～34.0 s，分別在航母靜止和垂蕩的情況下，對(duì)無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的氣動(dòng)特性進(jìn)行比較，如圖20所示。

由圖20看出，對(duì)于本文的垂蕩運(yùn)動(dòng)而言，航母運(yùn)動(dòng)引發(fā)的小尺度的渦使得無(wú)人機(jī)著艦氣動(dòng)特性變化更加劇烈，這主要和降落時(shí)當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)的速度有關(guān)。結(jié)合圖17(c)可知，升力的變化和相應(yīng)狀態(tài)Vz的變化是一致的，上洗最大的地方，升力最大；下洗最明顯的位置，升力最小。由于開(kāi)始著艦時(shí)航母處于0°相位，無(wú)人機(jī)著艦運(yùn)動(dòng)1 s后，航母開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，這會(huì)帶動(dòng)甲板上方的氣流也向下運(yùn)動(dòng)，因此，下洗會(huì)比較明顯，從而導(dǎo)致在最后時(shí)刻，無(wú)人機(jī)的升力相比靜基座著艦的情況出現(xiàn)下降。

3.2 180°相位著艦

此時(shí)無(wú)人機(jī)開(kāi)始著艦，航母先向下運(yùn)動(dòng)，再向上運(yùn)動(dòng)，回到平衡位置時(shí)，無(wú)人機(jī)剛好完成著艦，無(wú)人機(jī)和航母的相對(duì)高度也和航母靜止時(shí)著艦保持一致。

計(jì)算時(shí)間為34.0～36.0 s，無(wú)人機(jī)降落過(guò)程中的氣動(dòng)特性對(duì)比如圖21所示。與圖20(a)類(lèi)似，對(duì)于靜止航母流場(chǎng)，無(wú)人機(jī)氣動(dòng)力的變化比較緩和，短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)大的波動(dòng)，隨著靠近航母，升力先下降，然后再上升。而在動(dòng)基座的情況下，無(wú)人機(jī)的升力曲線(xiàn)一直表現(xiàn)出波動(dòng)，且0°相位和180°相位無(wú)人機(jī)著艦升力的變化曲線(xiàn)正好相反。對(duì)于180°相位著艦而言，當(dāng)無(wú)人機(jī)降落到航母甲板上方時(shí)，航母此時(shí)向上的速度達(dá)到最大。由于航母向上運(yùn)動(dòng)，同樣會(huì)帶動(dòng)周?chē)臍饬饕蚕蛏线\(yùn)動(dòng)，具有上洗的效果。因此，在最后時(shí)刻無(wú)人機(jī)的升力會(huì)有所增大。

圖19 下滑面Vz比較Fig.19 Comparison of Vz at landing surface

圖20 0°相位著艦氣動(dòng)特性Fig.20 Landing aerodynamic characteristics at 0° phase

圖21 180°相位著艦氣動(dòng)特性Fig.21 Landing aerodynamic characteristics at 180° phase

在航母垂蕩情況下，基于Q等值面，取t=36.0 s 時(shí)無(wú)人機(jī)著艦的流場(chǎng)，如圖22所示。由圖可知，無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)的區(qū)域其后方兩側(cè)形成兩條尾跡，而其余未受干擾的區(qū)域的渦結(jié)構(gòu)保持與圖14(b)單獨(dú)航母時(shí)類(lèi)似，表明固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)艦船流場(chǎng)的影響區(qū)域有限。

圖22 耦合流場(chǎng)的Vz(t=36.0 s)Fig.22 Vz at coupled flow field (t=36.0 s)

4 結(jié) 論

本文對(duì)航母垂蕩情況下無(wú)人機(jī)的著艦進(jìn)行了模擬。首先，對(duì)艦船流場(chǎng)的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，對(duì)嵌套網(wǎng)格的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，接著對(duì)比了水面對(duì)艦船空氣流場(chǎng)的影響，然后研究了靜止航母和運(yùn)動(dòng)航母流場(chǎng)的差別，最后對(duì)航母垂蕩處于不同相位時(shí)無(wú)人機(jī)著艦過(guò)程中的氣動(dòng)特性進(jìn)行了分析。

1) 航母甲板一般距海平面較遠(yuǎn)，水面對(duì)甲板上的流場(chǎng)影響有限，當(dāng)不考慮船和水的相互作用時(shí)，可忽略水的影響。另外，對(duì)于像艦載機(jī)著艦的多體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，采用局部加密的嵌套網(wǎng)格有助于減少網(wǎng)格量。

2) 航母尾跡是一種時(shí)空上不斷變化的流場(chǎng)，非定常特性明顯。對(duì)于靜止航母而言，尾跡3個(gè)方向速度均存在周期性明顯的波動(dòng)，且波動(dòng)的幅值隨著遠(yuǎn)離航母逐漸減?。欢?dāng)航母垂蕩時(shí)，尾跡水平方向的速度周期性減弱，但垂向速度的波動(dòng)幅值顯著增強(qiáng)，流動(dòng)變得更加紊亂。

3) 無(wú)人機(jī)在著艦的過(guò)程中升力和俯仰力矩受尾跡的影響較大。升力的變化趨勢(shì)與垂向速度的變化保持一致。對(duì)于靜止航母，無(wú)人機(jī)在靠近其尾部的過(guò)程中升力會(huì)先減小然后再增大；而當(dāng)航母處于垂蕩狀態(tài)時(shí)，無(wú)人機(jī)的升力和俯仰力矩會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，使得著艦更加困難。

4) 在耦合流場(chǎng)中，對(duì)于無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)的區(qū)域，其周?chē)鲌?chǎng)下洗明顯增強(qiáng)，與孤立航母時(shí)的流場(chǎng)存在較大差異；而在遠(yuǎn)離無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)區(qū)域的地方，耦合流場(chǎng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)與孤立航母時(shí)的情況類(lèi)似。