2025, Vol. 47
舰载直升机是现代两栖舰船执行远海反潜、突击、搜救等任务的重要延伸[1]。在超视距登陆作战理论[2]的指导下，美国主力两栖攻击舰“黄蜂”级的设计思想比以往更加注重航空配置，所搭载的CH-46E等多型直升机[3]使其具备强大的两栖作战和投送能力。舰船表面的气流场特征，以及舰船几何构型造成的舰面涡流对舰载直升机的影响，是两栖舰船设计中必须考虑的主要问题。此外，舰载直升机的尾流与舰面的流动结构相互耦合，所以，在研究舰载直升机舰面起降过程中的气动力变化，还必须对耦合流场开展深入的研究。
目前国内外对于舰面流场的研究，主要采用海上实测，风洞试验以及数值计算。随着近年来计算技术与数值计算方法的发展，人们开始大量采用数值模拟方法研究舰船表面流场，甚至在动态界面的早期分析中大量采用数值计算结果[4 - 6]。Dooley 等[7]对考虑大气湍流、舰船运动和波浪泵气效应的全尺寸ONRT舰船尾流场进行了数值模拟，该研究通过对速度场进行分解来分析这几种因素分别产生的影响，并与之前做出的均匀风条件下的缩比风洞实验结果[8]进行对比，证明了舰船运动的影响最为显著。杨思帆等[9]通过数值模拟方法对052D驱逐舰的舰船绕流情况进行研究，以期为舰载直升机的安全起降提供合理建议。对于直升机/舰船耦合气流场这类大雷诺数流动问题，目前主要采用的方法有RANS方法[8 - 11]、大涡模拟（LES）方法[12 - 14]和RANS/LES混合方法[15 - 17]。20世纪90年代，美国、加拿大、英国、澳大利亚和新西兰在TTCP合作项目下，开展了大量舰面气流场研究，还为开发舰船尾流验证数据库而设计了SFS和SFS2作为标模，因此大量的研究主要围绕驱护舰以及SFS和SFS2展开。不同于驱护舰，大型两栖舰船采用全通式平直甲板和边岛式上层建筑设计，在舰首、舰尾、舷边等区域以及起降位置与驱护舰存在较大差别。在国内，吴文韬[18]使用CFD计算舰船艉流并线性叠加到飞行力学模型的配平方法的基础上研究了直升机舰面起降的飞行特性并计算了理论风限图。陈华健等[19]基于CFD数值模拟方法，研究直升机动态着舰流场下的旋翼气动载荷特性，通过运动嵌套网格方法来模拟直升机动态着舰的过程，并分析直升机/舰船耦合流场的特征，以此研究舰面流场下直升机着舰时气动载荷的变化情况，从而为直升机安全着舰提供重要的参考。李通等[20]基于护卫舰的简化模型SFS2以及双桨叶旋翼模型，在斜风状态下，对纵摇运动中的机-舰耦合流场进行数值模拟计算，从而期望对运动甲板上的机-舰耦合流场特性有进一步的认识。
本文针对两栖舰船表面流场与旋翼尾流场的耦合，建立两栖攻击舰简化模型“黄蜂”，以及简化旋翼模型，运用滑移网格法模拟直升机在舰船甲板上方的悬停作业，采用IDDES方法对不同工况下的涡结构和垂向速度[21]等开展了对比分析研究，总结了两栖舰船舰面尾流与旋翼尾流间的干扰和变化规律。
1 数值计算方法目前，针对舰船这类具有尖锐边缘的湍流流动分离问题，常用的有RANS、LES以及DES方法。其中，RANS方法对瞬态的N-S方程进行了时均化处理，将流场中的湍流脉动过滤掉，提高了计算效率但是牺牲了计算精度；而LES方法使用滤波函数来划分湍流，求解大涡并对小涡进行模化，对湍流的解析度高，但该方法的准确性较大程度上依赖于网格，所以计算周期长，且对于复杂几何其网格质量要求较高；DES方法则是在近壁面采用RANS方法，在大尺度分离流动采用LES方法，在一定程度上兼顾了效率与准确性。本文采用的IDDES模型基于SST k-ω湍流模型进行构造，引入湍流长度尺度lIDDES，对模型中湍动能耗散项进行了修正，可以写成：
| $ {\dfrac{\partial }{{\partial {{t}}}}\left( {\rho k} \right) + \dfrac{\partial }{{\partial {{{x}}_{{j}}}}}\left( {\rho {{k}}{{{u}}_{{j}}}} \right) = \dfrac{\partial }{{\partial {{{x}}_{{j}}}}}\left( {\left( {\mu + \dfrac{1}{\sigma }{\mu _t}} \right)\dfrac{{\partial k}}{{\partial {{{x}}_{{j}}}}}} \right) + {\widetilde P_k} - \dfrac{{\rho {k^{3/2}}}}{{{l_{{\mathrm{IDDES}}}}}} 。}$ | (1) |
式中：k为湍流动能；ρ为密度；uj为速度分量；Pk为粘性力引起的湍流生成项；μ为粘性系数；μt为湍流粘性系数；lIDDES的表达式为：
| $ {l_{{\mathrm{IDDES}}}} = \widetilde {{f_d}} + \left( {1 + {f_e}} \right){l_{RANS}} + \left( {1 - \widetilde {{f_d}}} \right){l_{{\mathrm{LES}}}}。$ | (2) |
式中：
| $ l_{RANS}=\frac{\sqrt{k}}{\beta^*\omega}，$ | (3) |
| $ {l_{LES}} = {C_{DES}}\Delta ，$ | (4) |
| $ \vartriangle = \min \left\{ {\max \left[ {0.15{d_w},0.15{h_{\max }},{h_{wn}}} \right],{h_{\max }}} \right\} 。$ | (5) |
式中：β*=0.09；ω为比耗散率；CDES为模型系数，通常取为 0.65；∆为网格尺度；dw为计算点到壁面的距离；hmax为网格最大边长；hwn为垂直壁面方向的网格尺度。
本文采用了IDDES方法[22]开展了非定常流场计算，数值离散格式为Roe格式。为验证算法的准确性，采用SFS2标准试验算例进行了对比（见图1）。2种计算方法的结果均基本与参考文献的计算结果一致[23 - 24]，且与试验结果相符，但IDDES结果更接近试验值。
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图 1 计算与试验对比 Fig. 1 Comparison of numerical result and experimental data |
本文以美国 “黄蜂”级两栖攻击舰的简化模型为算例，该模型的主要尺寸为253.2 m×32 m×49.5 m（长×宽×高），旋翼翼型为NACA0012，直径为11.4 m，额定转速为25 rad/s。舰船舰岛后方的飞行甲板为舰载直升机主要操作区域，计算所采用的是非结构网格，为保障计算精度，对旋翼附近的网格进行了加密，而远场网格较为稀疏，在旋翼附近使用滑移网格法以实现旋翼在甲板上方的悬停作业。本文采用IDDES湍流模型，其中孤立舰船流场网格单元约为
舰船正前方为速度入口边界，后方为压力出口边界，上方为出口边界，下方为壁面；当左舷来流时，舰船左侧为速度入口边界，右侧为压力出口边界，当右舷来流时，舰船左侧为压力出口边界，右侧为速度入口边界。计算域范围为11倍船长×10倍船宽×6倍船高。
如图2所示，选取“黄蜂”级水线以上部分的简化模型作为计算模型。计算网格采用非结构混合网格。黄蜂”级孤立舰船网格包含约
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图 2 两栖舰船简化模型和网格示意图 Fig. 2 The model and the mesh of the amphibious ship |
由于两栖舰船舰岛一般位于甲板右侧，而直升机的起降甲板一般位于两栖舰船左弦侧，舰船具有一定的不对称性，当不同方向的气流流经舰船甲板上方时，会对流场产生不同的影响。当左弦来流时甲板右弦侧的上层建筑会对起降甲板上方流场产生干扰影响；当右舷来流是由于船身受到侧向风的影响，在起降平台上方会形成大范围的上洗流动。因此，为了更好地对比分析机舰耦合流场，本文采用了比较具有代表性的0°和左右舷30°的风向角，针对孤立舰船流场与机舰耦合流场开展了合成风速为20 m/s的流场数值模拟，就不同风向角下的流场逐个开展对比分析。
3.1 0°风向角下舰面流场通过计算0°风向角下，20 m/s来流速度下的黄蜂号舰船甲板表面的气流场，得到甲板表面气流场的变化规律。图3为0°风向角下λ2等值体图，可以看出在0°风向角下，气流经过舰首形成不均匀的马蹄状舰首涡，舰首涡随着来流向甲板后方发展。正顶风下气流经过舰岛，在舰岛附近产生大量涡系结构，其中一部分分离涡与向后方发展的舰首涡相互耦合，形成新的更加复杂的涡系结构，这使得舰岛附近气流分布杂乱无章，而舰岛附近大量的涡系结构随着气流向甲板后方发展，增大了舰船后甲板表面气流分布的复杂程度。还可以观察到，旋翼/舰船耦合流场在后甲板处，旋翼脱落出桨尖涡随着来流继续向后发展，桨尖涡与舰岛后方尾涡相互耦合形成复杂的涡结构，并使得舰岛后方的后甲板上被旋翼带来的下洗流覆盖。
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图 3 0°风向角下垂向速度分布与λ2等值体图 Fig. 3 Vertical velocity distribution and λ2 contour plot under 0° wind direction |
图4为0°风向角下舰船纵向截面上垂向速度分布。对于孤立舰面流场在正顶风下，由于钝体效应气流经过舰首产生较强的上洗气流，在流经舰首后，伴随部分下洗气流的产生。气流流经舰岛，在舰岛前端产生上洗气流，由于黄蜂级两栖攻击舰舰岛上有2根长度较高的桅杆，使得两桅杆之间出现大范围上洗气流，并在桅杆之后形成下洗气流，随着舰岛上产生的涡系结构向后方发展，下洗气流伴随上洗气流交替出现在后甲板上方。
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图 4 0°风向角下舰船纵向截面垂向速度分布 Fig. 4 Vertical velocity distribution of longitudinal section of ship under 0° wind direction |
对于旋翼/舰船耦合流场，在从舰首到舰岛部分舰面流场的涡系结构的分布较为一致，均在舰首处和舰岛前方产生了上洗气流，而在舰岛后方旋翼/舰船耦合流场的下洗气流强于孤立舰面流场，这是由于旋翼在后甲板处高速旋转，在旋翼附近形成了较强的下洗流，又由于甲板限制，使得后甲板上方下洗流范围增大。伴随旋翼的高速旋转，气流在桨尖处出现桨尖涡并随着来流向后方发展，使得旋翼附近以及旋翼后侧被强度较大的下洗流覆盖，舰船后甲板上流场受下洗流影响明显。
通过不同横向截面处甲板的垂向速度云图和流线图（见图5）可以看出，在正向来流下，孤立舰面流场气流通过甲板表面，由于钝体效应，气流经过甲板产生上洗在甲板左右两侧均形成了涡系结构，其中舰船右侧由于舰岛尾流的存在，在舰岛后方产生下洗气流，该处舰岛尾流场与舰船右侧的涡系结构相互耦合，使得右侧涡系结构的强度高于左侧，而在后甲板上方，舰岛处产生的涡系结构随着气流不断向后方扩展延伸，使得后甲板上方涡结构分布复杂，上洗气流和下洗气流交替出现。对于旋翼/舰船耦合流场，在从舰艏到舰岛部分舰面流场的涡系结构与孤立舰船流场分布较为一致，但由于旋翼高速旋转使得旋翼下方形成较强的下洗流，该处下洗气流与舰岛后方出现的大规模下洗相互耦合，在旋翼附近形成了较强下洗的区域，该下洗气流随着来流方向不断向后延伸，使得其后方甲板上方存在大规模下洗区域。
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图 5 0°风向角下不同横向截面处甲板垂向速度云图与流线图 Fig. 5 Vertical velocity cloud map and streamline map of deck at different cross sections under 0° wind direction |
图6为+30°风向角下λ2等值体图，通过图像可以看出，在+30°风向角下，气流经过舰船形成舰首涡、舷边分离涡，舰岛分离涡，这些涡结构随着来流向甲板左后方发展，使得甲板右后方起降区完全被覆盖。其中，舰首分离涡随着来流向左后方发展，部分舷边涡与舰岛产生的分离涡相互耦合，形成较强的涡系结构，这使得舰岛附近气流分布杂乱无章，而舰岛附近大量的涡系结构随着气流向甲板左后方发展，其中一部分与右侧脱落的舷边涡再次耦合，在舰船后甲板上形成复杂的涡系结构。对于旋翼/舰船耦合流场，在后甲板处由于旋翼高速旋转，旋翼前侧上洗气流强度增大，气流通过旋翼产生大量下洗气流并向左后方脱落出桨尖涡，桨尖涡受来流影响向左后方延伸。
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图 6 +30°风向角下垂向速度分布与λ2等值体图 Fig. 6 Vertical velocity distribution and λ2 contour plot under 30° wind direction |
图7为+30°风向角下舰船纵向截面上垂向速度分布，可见孤立舰面流场由于钝体效应气流经过舰首较强的上洗气流，在流经舰首后，在上洗流后侧伴随产生部分下洗气流，同时气流经过右舷产生分离涡，产生较强的上洗气流，分离涡向左后方发展，在前甲板上产生了一个下洗区域。气流流经舰岛，在舰岛前端产生大量上洗气流，随着舰岛上产生的涡系结构向左后方发展，由于后台阶效应，在舰岛后方出现了部分下洗区域，同时由于风向角的影响，在舰船右侧脱落出大量右舷分离涡，分离涡随着来流向甲板上方移动，使得舰岛后侧甲板上方存在大规模的上洗气流。对于旋翼/舰船耦合流场，在舰首处和舰岛前方产生了大量上洗气流，在前甲板上产生下洗区域；而在舰岛后方，直升机/舰船耦合流场的气流分布显著不同，旋翼处于右侧舷边涡形成的大规模上洗气流之中，由于旋翼在后甲板处高速旋转，气流经过旋翼形成了较强的下洗流，该下洗流又与后甲板上方的大规模上洗相互抵消，旋翼附近的上洗流区域消失。
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图 7 +30°风向角下舰船纵向截面垂向速度分布 Fig. 7 Vertical velocity distribution of longitudinal section of ship under 30° wind direction |
图8为不同横向截面处甲板的垂向速度云图和流线图。可以看出，在右舷30°来流下，由于钝体效应气流通过甲板表面，在右舷形成上洗，由于后台阶效应，分别在舰岛左侧与舰船左舷形成下洗气流，并形成部分回流区，其中回流区左侧均为下洗流动，在回流区右侧伴随产生部分上洗。气流通过舰岛后，舰岛处脱落的涡系结构随着气流不断向左后方扩展延伸，并与左侧的左舷分离涡相互耦合，使得舰船左侧上洗气流增强。对于旋翼/舰船耦合流场，在从舰艏到舰岛部分舰面流场的涡系结构与孤立舰船流场的分布较为一致，而在舰岛后方由于旋翼处于较强的上洗气流之中，旋翼高速旋转产生的下洗气流与该处上洗气流相互抵消，使得旋翼附近上洗气流减弱，气流在流经甲板右舷形成的舷边涡与旋翼桨尖处高速旋转形成的桨尖涡相互耦合，使得旋翼右下侧上洗流强度增强，同时旋翼高速旋转使得旋翼下方形成较强的下洗流，下洗流随着来流向左后方发展，使得旋翼左后方区域几乎被下洗流覆盖，并在舰尾出流出甲板。
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图 8 +30°风向角下不同横向截面处甲板垂向速度云图与流线图 Fig. 8 Vertical velocity cloud map and streamline map of deck at different cross sections under 30° wind direction |
图9为−30°风向角下λ2等值体图，通过图像可以看出在−30°风向角下，气流经过舰船形成舰首涡、舷边分离涡，舰岛分离涡。其中，舰首分离涡随着来流向右后方发展，几乎对舰船甲板表面流场没有影响；右舷分离涡随着来流向舰船右后方发展，对舰船甲板表面流场影响较小；左舷分离涡附着在左侧甲板，左侧甲板主要受下洗流影响，对起降区域影响较小；舰岛处的分离涡随着来流向右后方发展。对于旋翼/舰船耦合流场，在从舰首到舰岛部分舰面流场的涡系结构的分布较为一致，而在后甲板处由于旋翼高速旋转，气流通过桨叶向右后方脱落出桨尖涡，有较少一部分桨尖涡与前方的舰岛脱落涡相互耦合，该风向对直升机在舰船上进行起降作业的影响较小，同时旋翼产生的下洗流随来流向甲板的右后方延伸，使得后甲板处较大程度受下洗流影响。
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图 9 −30°风向角下垂向速度分布与λ2等值体图 Fig. 9 Vertical velocity distribution and λ2 contour plot under −30° wind direction |
图10为−30°风向角下舰船纵向截面上垂向速度分布，孤立舰面流场由于钝体效应，气流经过舰首产生较强的上洗气流，在流经舰首后，伴随上洗流产生部分下洗气流，而气流经过左舷产生分离涡对该截面（过旋翼的纵向截面）的影响较小，在前甲板中部有较轻程度的下洗。气流流经舰岛，在舰岛前端产生上洗气流，由于后台阶效应，在舰岛后方出现了部分下洗区域，舰岛上产生的涡系结构随着来流向右后方发展，上洗流和下洗流在后甲板上方交替出现。对于旋翼/舰船耦合流场，在从舰首到舰岛部分舰面流场的涡系结构的分布较为一致，均在舰首处和舰岛前方产生上洗气流，在前甲板上产生较弱的下洗，而在舰岛后方下也存在洗气流。旋翼/舰船耦合流场由于旋翼在后甲板处高速旋转，在旋翼下方产生了大规模下洗气流，该下洗气流与舰岛后方的下洗气流相互耦合，使得后甲板上下洗气流的强度和范围要大于孤立舰面流场。
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图 10 −30°风向角下舰船纵向截面垂向速度分布 Fig. 10 Vertical velocity distribution of longitudinal section of ship under −30° wind direction |
图11为不同横向截面处甲板的垂向速度云图和流线图。可以看出，在左舷30°来流下，由于钝体效应，气流经过甲板在左舷形成上洗，通过流线图可以看出该上洗气流在甲板表面发生流动分离，形成分离涡，并在分离涡右侧出现下洗区域，该下洗区域在有舰岛阻挡时出现在舰岛左侧，在无舰岛阻挡时出现在后甲板中部，并随着来流不断向右后方移动。气流在经过舰岛后，由于后台阶效应在舰岛后方发生流动分离，并与右侧舷边涡相互耦合，分离涡随着气流不断向右后方扩展延伸，在舰岛右侧形成了部分上洗气流。对于旋翼/舰船耦合流场，从舰艏到舰岛的流场分布与孤立舰面流场的分布较为一致。而旋翼高速旋转使得旋翼下方形成较强的下洗流，下洗流随着来流向右后方发展并逐渐脱离甲板表面。
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图 11 −30°风向角下不同横向截面处甲板垂向速度云图与流线图 Fig. 11 Vertical velocity cloud map and streamline map of deck at different cross sections under −30° wind direction |
为了进一步分析耦合流场中不同风向角下旋翼的拉力变化规律，绘制了旋翼拉力变化曲线如图12所示。对于正向来流，旋翼拉力基本在17 kN左右，受舰岛尾流影响有微弱的减小趋势；对于右舷来流，旋翼主要是受右舷涡和部分舰尾涡影响，旋翼处于上洗区域，旋翼拉力存在一定的上升趋势，并且大于正向来流与左舷来流；对于左舷来流，旋翼高速旋转的下洗区被快速吹离甲板表面，旋翼拉力有微弱增强的趋势，受到舰岛尾流影响较小。
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图 12 不同风向角下旋翼拉力对比 Fig. 12 Comparison of rotor tension under different wind directions |
本文基于IDDES方法对舰船空气尾流场进行了数值计算，分别建立了孤立舰船流场和旋翼/舰船耦合流场2种几何模型，对旋翼/舰船耦合流场在不同风向角下涡系的演化规律以及直升机气动力的干扰影响进行了研究，得到以下结论：
1）相对于RANS方法，采用IDDES方法可以捕捉到流场中细小的涡结构，计算得到的舰面耦合流场具有更加明显的非定常特性。在不同风向角下，舰面流场主要包括舰首涡、舷边分离涡、上层建筑尾涡、舰尾涡以及旋翼桨尖涡，这些涡在流场中相互干扰、耦合，使得流场结构更加复杂。
2）对于正向来流，旋翼位于上层建筑后方，受上层建筑影响较大，旋翼高速旋转的桨尖涡与上层建筑尾流发生掺混作用，形成复杂的涡系结构，该涡系结构随来流继续向正后方发展，使得上层建筑后方甲板表面几乎被下洗流覆盖；对于右舷来流，由于右侧舷边涡影响较大，甲板上方存在大规模上洗气流，部分上层建筑尾流被吹向甲板左后侧，最终被流出甲板平面，但旋翼在一定程度上仍受部分上层建筑尾流影响，桨尖涡与部分上层建筑尾涡相互干扰，使得旋翼右前侧上洗气流强度加剧，而旋翼由于高速旋转产生的大规模下洗与甲板上方的右舷上洗流相互抵消，上层建筑右后侧上洗气流减弱；对于左舷来流，旋翼几乎不受上层建筑尾涡影响，旋翼附近的下洗流是由旋翼高速旋转产生的，该下洗流随来流迅速离开舰船甲板表面，几乎对舰面流场没有影响。
3）通过对比不同状态下旋翼/舰船耦合流场的变化规律可以看出，左舷来流对该处起降点直升机起降流场影响较小，比较适合直升机进行舰面作业；正向和右舷来流对直升机舰面流场影响较大，不利于直升机在该处进行舰面作业。
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