2022, Vol. 44
2. 中国船舶集团有限公司系统工程研究院，北京 100094
2. Systems Engineering Research Institute, CSSC, Beijing 100094, China
据统计，舰载机安全事故主要发生在起降阶段，这是由于舰载机在相对狭小且伴随复杂运动的舰船甲板上执行起降作业时，除却自身，还受到气象环境、海洋环境、舰船环境等诸多因素的综合影响。其中，舰船环境中的空气流场和舰船运动是威胁直升机起降安全的关键环境因素，且以空气流场尤为突出。
船体及上层建筑钝体结构是诱发舰面空气流场的主要因素，其非流线型特征对流过其表面的气流形成障碍，使流场中产生局部扰动，进而引起速度场及压力场的变化。气流流动受到船体结构的阻滞作用而产生流动分离、涡脱落及附着现象，其中危及舰载机起降安全的主要因素主要为分离区内的下洗气流、侧洗气流和脉动湍流[1-3]。
通过船体结构的优化设计或采取流动控制方法有效改善舰载机起降及舰面作业过程中的流场环境，提高舰载机作业安全性十分重要。
航空航天、汽车、机械等工业领域已经对流动控制技术开展了广泛的研究与应用[4-9]，在舰船空气流场研究方面，国内外学者也进行了相关探索。流动控制是指通过改变或控制流场的状态，包括力学状态和热力学状态，以实现改善流场的目的。从能量输入角度，可以分为被动流动控制和主动流动控制。被动控制不需要向流场输入能量，通过优化结构或采用柔性边界或大涡破碎装置等实施流动控制；主动控制则需要向流场输入能量，例如通过振荡壁面、射流、电磁场和等离子等方式向流场输入能量，能量的输入量可以是定值，称为开环控制，也可以随被控流场的变化而实时变化，称为闭环控制，又称主动反馈控制。
本文通过对主被动流场控制技术在舰船空气流场中的研究应用进行综述分析，总结舰船空气流场流动控制技术发展现状，并针对驱护舰通用简化模型开展多孔吹气主动控制效果分析，为空气流场流动控制的实装应用提供参考和思路。
1 舰船空气流场被动流动控制技术研究现状 1.1 基于舰船构型优化的流场控制舰船钝体结构是影响空气流场特性的主要因素，通过对上层建筑结构进行优化可实现流场改善。
Tai[10]，Shukla[11]，Bardera-Mora[12]和王金玲[13]等针对SFS和SRF驱护舰通过简化模型研究了圆形舰首（见图1）、圆形机库门（见图2和图3）对流场的影响，结果表明采用圆形过渡结构替代直角边缘可以有效避免舰首及机库后方流场特性，减小气流分离区域影响范围，且流场改善效果由过渡圆弧的曲率决定。
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图 1 圆弧舰首构型 Fig. 1 The modified TTCP/SFS configuration of round nosed |
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图 2 圆弧机库门构型 Fig. 2 A schematic of modified SFS1 model with round hangar and nose |
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图 3 圆弧过渡的机库 Fig. 3 Round hangar models |
汪成豪[14]、王金玲[15]、申晴[16]和荣吉利[17]等亦通过修改机库的局部外形实现对舰面空气流场的控制。研究结果表明：将机库顶部或两侧（见图4）改为圆弧过渡形式同样可以减小下洗和侧洗气流；将机库顶部面设计为向上倾斜（见图5）（不大于2°）的坡面或合理降低机库高度（见图6），增加飞行甲板长度均有改善流场的作用。
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图 4 不同机库构型 Fig. 4 Hangers of Different Shapes |
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图 5 SFS1机库顶部不同倾角 Fig. 5 Different dips of hangar top for SFS1 |
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图 6 不同高度的机库外形 Fig. 6 Hangers of different heights |
洪伟宏[18]、赵永振[19]等基于CFD仿真研究了舰船上层建筑的构型及布局对空气流场的影响。研究结果表明，减小上层建筑结构尺寸或将上层建筑布置在远离舰载机起降的区域，可以减轻上层建筑结构对起降区域流场的影响。
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图 7 移动舰岛位置示意图 Fig. 7 Different layout of ship superstructure |
通过加装梳流、导流、涡流发生器等外部装置，同样可以起到改善流场的作用。
Kääriä等[20]通过风洞试验评估了在舰船上层建筑边缘加装导流或梳流装置对直升机操纵特性的影响，研究发现加装的各种扰流装置尤其是侧襟翼和矩形齿结构能显著降低流场作用下直升机受力值的均方根。
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图 8 机库右侧边缘不同的控制装置 Fig. 8 Different modifications to starboard side-face of SRF hangar |
Bardera-Mora等[21]在舰船船首增加不同形状的涡流发生器和导流板来改善舰面流场。仿真和试验结果表明，不同构型的梳流装置能够很好地减小舰首分离区的大小和湍流强度，可将分离区中心点前移，使其对舰面的影响区域明显减小，最有效的控制装置能将分离区高度降低50%。
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图 9 舰首控制装置 Fig. 9 Passive flow devices: cylinder |
Czerwiec[22]和王金玲[15]等对比分析了LHA在有无船首导流板情况下的舰面流场。研究结果表明增加船首挡板会减小舰首气流的分离区，且可通过仿真和试验来确定导流板的最佳安装角度，对于LHA而言最佳安装角范围为15°～25°。
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图 10 舰首导流板装置示意图 Fig. 10 Streamlines over LHA bow with flap |
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图 11 增加舰首导流板 Fig. 11 Original and modified LHA-1 model |
陈华健等[23]对比了3种梳流装置对舰船空气流场的控制效果。研究结果表明无侧风情况下，舰岛边缘斜向导流板和锯形挡板均能够有效降低直升机起降区域气流分离程度和涡的能量等级。但斜向导流板会显著增加下洗气流强度。
Forrest[24]的研究结果表明，在机库右舷边缘加装锯齿或圆柱结构会导致起降甲板区域湍流强度增加。
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图 12 机库垂直边缘上的控制装置 Fig. 12 Geometric modifications of vertical hangar edge |
Shafer[25]的研究表明在机库上缘安装锯齿梳流板后，机库高度以下飞行甲板区域速度梯度均明显减小，流场均匀性得到有效改善。但在梳流装置上方区域内，速度梯度反而增加，此区域内流场环境明显恶化；网状泡沫梳流装置对流场的改善效果明显优于实体梳流板，在20°风向角时起降区域的流场不稳定度总体下降12.1%。陆伟[26] 的研究表明机库顶端的上仰导流板虽然可以抑制下洗气流但同时增强了流动分离，导致直升机作业时其旋翼会受到额外的俯仰力矩和向前的吸力，而下倾导流板抑制流动分离的同时增大了下洗气流。
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图 13 栅栏装置示意图 Fig. 13 Illustrations of fence flow control devices |
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图 14 不同倾角的导流板 Fig. 14 Damping screens of different angles |
Greenwell[27]在机库顶部和侧面、飞行甲板两舷安装的倾斜多孔板减小了流场中湍流强度和下洗速度。不同安装形式的多孔板对比试验结果表明，在飞行甲板两舷平铺，同时在机库侧面和顶部加装向后上方倾斜的多孔板时，流场环境最佳。
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图 15 倾斜多孔板装置 Fig. 15 Inclined screen flow control configurations |
国内外学者针对不同船型研究了优化舰船结构或在不同部位加装不同形式的梳流装置等被动控制方式对流场的改善效果。研究结果表明对于直通甲板在舰首增加梳流装置可有效减弱舰首分离区，改善流场环境。而对非直通甲板舰船，对机库两侧或顶部进行圆弧过渡设计可有效改善流场环境，但加装梳流装置时，梳流装置对流场中湍流强度和下洗气流的改善效果对装置的形状、倾角和材质依赖程度较大，总体而言，适当安装形式的多孔介质梳流装置的控制效果优于实体结构的梳流装置。
2 舰船空气流场主动流动控制技术研究现状 2.1 射流流动控制高杰等[28]在CVN-73尾部增加射流装置抑制了舰尾后方的下洗气流，并通过CFD仿真得到最佳射流角度的范围为30°～45°，在此角度范围内射流，舰载机下滑线上下洗速度可降为原来的一半。
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图 16 舰尾吹气装置 Fig. 16 Blowing configurations on the stern |
Gallas[29]、郑跃洋[30]和李光印等[31]研究了在舰船机库顶部、两侧及机库门位置安装的射流装置对流场的控制效果，研究结果发现不同位置的射流装置可以有效缩小分离区范围，从而抑制直升机着舰过程中所受的非定常载荷水平。具体改善效果与射流装置的安装位置和射流速度有关。
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图 17 机库边缘的吹气缝 Fig. 17 Test bench to characterize the blowing jets |
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图 18 机库门开缝装置 Fig. 18 Blowing jets on the hanger door |
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图 19 机库边缘的射流装置 Fig. 19 Blowing jets on the hanger side |
等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的新概念主动流动控制技术[32]。带电离子在库伦力的作用下运动，为离子移动方向的空气输送动量，从而产生被称为离子风的等离子运动现象。近年来，等离子体流动控制技术在飞行器减阻增升、发动机扩稳增效、高速列车降噪及建筑防风灾等方向得到了广泛的应用。在舰船空气流场控制方面，Bardera-Mora等[33]在风洞试验中对SFS船模的空气流场进行了基于等离子体技术的流动控制研究。采用2种不同结构的等离子体激励器对SFS上方的流场进行了干扰。研究结果表明，等离子体激励器可以显著减小飞行甲板区域的涡流区范围，且其对流场的控制效果依赖于等离子体激励器的安装位置和电压。当采用机库顶部和机库面组合安装形式时，飞行甲板上方区域的湍流强度减弱，但仅在机库门立面上安装等离子激励器时，飞行甲板上方区域的湍流强度反而增大。试验结果同时表明当等离子体激励器的电压为28 kV时，其对流场的改善效果最优。
在舰船空气流场主动控制研究方面，国内外学者亦针对不同船型开展了基于射流和等离子体的流场控制探索，研究表明流场控制效果与控制装置的安装位置和能量大小相关。
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图 20 2种等离子体激励器分布位置 Fig. 20 Configurations of plasma actuators |
借鉴前述文献研究成果，基于CFD仿真和风洞试验方法开展多孔吹气控制技术探索，利用吹气技术控制舰船空气流场大分离流动的发展。通过研究机库立面和飞行甲板面不同吹气速度，探索流场最佳控制效果。
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图 21 吹气示意图及试验模型 Fig. 21 Blowing jets on the deck/hanger door |
研究结果表明，通过在飞行甲板面和机库立面开孔吹气均可达到空气流场控制的效果，飞行甲板面吹气和机库立面吹气在流场控制中呈现了不同的控制规律，对飞行甲板面吹气而言，随着吹气速度不断增大，其对流场的控制效果先变好后变差，在吹气速度约为0.05U（U为甲板风速度）时达到最佳控制效果（见图22）；对机库立面吹气而言，随着吹气速度增加，其对流场控制效果先变差后变好，在吹气速度小于0.05U时反而起不到优化效果，在吹气速度约为0.2U时达到最佳控制效果（见图23）。通过采取主动控制措施实现空气流场的优化，可改善流场环境，提高直升机舰上作业安全，增强机舰适配性能。
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图 22 甲板面吹气中纵面流场对比（吹气速度0.05U） Fig. 22 Conparison of flow field in longitudinal section (blowing speed 0.05U) |
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图 23 机库面吹气中纵面流场对比（吹气速度0.2U） Fig. 23 Conparison of flow field in longitudinal section (blowing speed 0.2U) |
在对近年来国内外学者在舰船空气流场控制方面的研究进行综述的基础上，分析多孔吹气控制技术在舰船空气流场中的应用效果。通过总结20多年来舰船空气流场控制研究成果，得出以下结论：
1）对于搭载舰载机的舰船，在舰船设计阶段应当同步考虑舰船空气流场环境的设计工作。通过对影响舰载机起降安全的关键结构的尖锐或直角边缘进行切角或圆弧过渡设计，在满足应用需求的基础上对上层舰船结构进行“小型化”或“离散化”设计，从源头上避免恶劣流场环境的产生。
2）在特定应用条件下不同形式的主、被动流动控制装置均可实现流场控制目的，但舰船空气流场的控制效果对主、被动控制装置的安装位置和结构形式具有较大依赖性，安装位置和结构形式设计不合理时可能导致空气流场环境“恶化”。
4.2 展望虽然国内外学者已针对直通和非直通甲板舰船开展了各种形式的主、被动流动控制研究，在特定条件下实现了特定区域流场控制，但仍存在一些问题，后续研究中需开展进一步探索：
1）目前的舰船空气流场主动控制技术均为开环控制方式，后续仍需探索考虑甲板风和控制区流场环境变化闭环控制技术的应用。
2）目前的研究仍只停留在CFD仿真、风洞或缩比模型试验等理论探索阶段，且均聚焦于流场控制效果分析，后续需对控制装置的系统设计及实装进行可行性分析，为实现控制装置的实际应用奠定基础。
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