航空母舰空气尾流的试验研究-厦门大学学报自然科学版教学文案.doc

doi:10.6043/j.issn.0438-0479.201704033航空母舰空气尾流的实验研究鲍 锋，曾华轮，邹 赫，朱 睿，刘志荣*（厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361005)摘要：航空母舰的空气尾流对舰载机的起飞、着舰有较大的影响，认清航母尾流对舰载机的干扰原因有助于提高舰载机起降的安全性。实验以“辽宁舰”航母的缩比模型为研究对象，在多功能循环水槽中研究与“辽宁号”航空母舰具有相似几何外形的模型的尾流结构。利用染色液流动显示技术和粒子成像测速技术显示和测量航母的尾流结构随航向角、流速和关键位置的变化。基于模型迎流宽度定义的雷诺数范围为21044104。研究表明，舰首滑跃甲板存在上洗气流且两侧产生流向涡，该涡结构对舰载机滑跃起飞时的升力产生影响；舰岛和舰尾后方存在着大量脱落涡，会对舰载机着舰时的气动力产生扰动，增加着舰操纵难度。关键词：辽宁舰；航母尾流；染色液流动显示；粒子成像测速技术中图分类号：V211.76 文献标志码：A 航空母舰的主要任务是以其运载的舰载机编队，来夺取海战区的制空权和制海权。舰载机是航空母舰攻防力量的核心，然而其起飞着舰环境比陆基飞机要恶劣得多，所以其设计和使用控制都面临着巨大的挑战。舰载机飞行难度极大且飞行事故率较高，原因在于其起降过程难度很高。起降难度主要体现在，飞行甲板长度短，仅为陆地跑道的十分之一；而且航母自身处于六自由度动态，飞机较容易发生单轮着陆和侧翻等事故。然而除这些因素之外，航母尾流的影响也是不容小视的。航母尾流的形成原因较为复杂，与船体结构、航速航向和大气状况存在关联。飞机通过尾流区，受到尾流的干扰会增加操作难度，甚至导致无法安全着舰。例如航母在顶风行驶过程中，甲板上方会形成一股先上洗后下洗的形似公鸡尾巴的气流，若飞行员没有对其采取相应的修正措施，则产生的尾流会使飞机在垂直方向上下沉 2 米左右，导致水平着舰误差约39米1。因此，舰载机起降时要考虑到航母尾流的影响。国内目前主要是研究尾流对飞机起降的影响和设计抗尾流干扰的飞机控制系统这两个方面，而研究航母尾流本身的基础研究较少，大多数研究人员采用美国军用规范所提供的航母尾流扰动模型。耿建中等2研究尾流对飞行的影响，采用美国军用规范中规定的进舰着舰时的大气扰动模型为尾流模型。而对抗尾流干扰的飞行控制研究，王奇等3也是采用美国军方标准的尾流模型。然而，航母尾流在不同的外界条件下有着不同的尾流模型，不能只用单一模型来统一所有的情况，因此对航母尾流结构的研究存在重要意义。对航母尾流流场的研究主要包括三种方法：实舰真实测量，风洞实验和数值仿真模拟。实舰真实测量的优点是具有信服力，可作为校验风洞实验或数值仿真的依据，但是其需要大量人力财力且受气象等偶然因素影响大，难以变化实验参数来探究规律。顾蕴松、明晓4在真实航行状态，对舰尾飞行甲板流场进行全尺寸测量，为验证流场的理论计算(CFD)和制定相应的直升机安全风限图和操作规范提供了实验依据。风洞实验可以节省费用，并且能模拟可控多变的测试环境，探究不同参数的影响。任荣生5为研究舰船模型后甲板流场特性，用汽车载着舰船模型沿机场跑道直线行驶，同时利用热线探头测量它的三维流场速度和方向，为热线技术在外场测试的发展积累了一定经验。美国的加州蒙特利海军研究院的 J. Val. Healey6认为NASA埃姆斯中心的舰载机飞行模拟器使用了均匀的速度剖面的尾流模型，存在一定缺陷。研究有湍流度的尾流特性和均匀的尾流的差异，在直升机下降路径的17个点布置三维热线风速仪来测量速度和湍流强度，得到一条降落路径上离散点的尾流速度和湍流度特性。随着计算流体力学的不断发展和计算机性能的提高，数值仿真技术用于探究各种舰船流场的研究中。郜冶等7通过数值仿真研究了舰船尾流的气流分布情况，得出不同条件下气流分布的差异性和舰载机滑跃起飞过程对气流分布的影响。陆超、姜治芳等8采用美国NASA埃姆斯实验室的塔拉瓦两栖攻击舰1/120比例缩比简化模型进行数值模拟计算，观察不同工况条件下模型舰面流场的变化情况。贲亮亮9研究航母甲板风对舰载机降落着舰的影响，以尼米兹号为研究对象，分析不同风度和风向角下舰载机降落着舰轨迹上的流场特性。孙鹏、刘文峰等10采用数值模拟对简化的美国黄蜂级两栖攻击舰甲板空气流场进行研究，得出0度角，15度角和-15度角时风向对于流场的影响。目前国内大多参考美国军方标准的尾流模型，以此进行数学建模或数值仿真，研究尾流对飞机的影响。然而航母尾流的基础实验数据欠缺，既不能照搬国外标准，因为航母在不同的外形、姿态和速度条件下会产生不同的尾流；也不能只凭数值仿真，因为真实性难以验证。因此本文以测量航母模型尾流的基础实验数据为主，研究其尾流结构和随外界因素的变化规律，分析航母尾流对舰载机的干扰，对舰载机起降控制提供借鉴。1 实验设备与实验模型1.1 实验设备实验是在厦门大学航空流体&PIV实验室完成的，实验室的主体设备包括精密循环式水槽、拖曳台车和PIV流场测量系统。精密循环式水槽整体布局如图1所示，水槽为水平回流开放式，沿水流方向依次为进口水箱、整流段、测试段、出口水箱以及回流管道。测试段截面成矩形，其横截面积为500500 mm2，测试段长度为3000 mm。环流水泵可由数字变频仪调节，水流速度范围为0-0.3 m/s，分辨率为0.001 m/s。图 1 多功能精密循环水槽Fig. 1 Multifunctional Precise Circulating Tank实验采用了一套高分辨率的时序PIV系统，能同时满足对时均流场和非定常流场研究的需求，该系统性能稳定，测量精度高。PIV流场测量系统主要包括了高分辨率相机、激光器、同步器、PIV图像处理分析软件和示踪粒子等。如表1所示，相机采用丹麦Dantec公司的SpeedSense9040高速CMOS相机，其分辨率最高可达200万像素(1632 pixel1200 pixel)，满频触发频率为1KHz。激光器型号为Nd：YAG，频率固定设置在40 kHz，最大输出功率为15 W，照射区域连续被照亮，能满足实验观察区域的亮度要求。本实验台在平行来流截面的速度测量误差约1%。表1 PIV系统组件参数Tab. 1 Component parameters of PIV system组件型号 参数激光器Nd：YAG 15W高速摄像机 Speed Sense904016321200像素透镜Zoom-Nikkor 焦距=55mm软件Dynamic StudioV3.31示踪粒子 PSP20m1.2 实验模型实验模型主要由航母模型、海面模拟板和连接件组成。航母模型采用缩比为1/350的“辽宁号”模型,全长约872.5 mm、宽约213 mm。对模型多余的附加结构进行处理，并将空心的模型填充玻璃胶使其成为完整的实体模型。在航母的中心位置埋入直径6 cm的蝴蝶型螺栓作为航母与海面模拟板之间的连接件。由亚克力板制成的海面模拟板长250 cm、宽49.5 cm、厚1 cm，中心位置打直径6 mm的孔作为海面模拟板与航母模型的连接处，并且在海面模拟板前面加上机翼形附加装置使水流更加平滑，减少来流脉动。在其尾部画上0度、15度、-15度、25度、-25度共五个角度刻度，其中0度为平行于来流方向，逆时针旋转角度为正。图 2 辽宁号航母模型 Fig. 2 LiaoNingAircraft Carrier Model由于航母尺度比较大，航母模型采用缩比为1/350，导致相似性准则不能严格满足。但是在满足几何相似条件下，流动结构之间的相关性可以与高雷诺数时呈现相似性，即尾流结构的产生和演变机理、过程是相似的，但具体的尾流结构几何形态、动力学特性却不相同。本文限于研究条件，仅仅研究了尾流结构产生和演变过程，这同样具有一定的研究意义，可以对舰载机的起降控制提供借鉴。2染色液流动显示实验2.1 实验方案的选定由于本实验的模型较大，海面模拟板不宜拖动，综合考虑各方案后，最终选定环流配合染色液法作为实验方法。为了测量不同变量对航母流场的影响，本次染色液流动显示实验总共选取航向角、水流速度以及关键位置三大参数，各参数如下表2。表2 实验相关参数Tab. 2 Component parameters of Experiment变量数值航向角0度、15度、-15度、25度、-25度水流速度0.1m/s、0.15m/s、0.2m/s关键位置滑跃甲板、滑跃甲板左侧、滑跃甲板右侧、舰岛、舰尾后方 其中航向角选取0度、15度、-15度、25度、-25度共五个角度刻度，其中0度为平行于来流方向，逆时针旋转角度为正。水流速度选取0.1 m/s、0.15 m/s、0.2 m/s共三个速度，基于模型迎流宽度定义的雷诺数范围为21044104。关键位置选取滑跃甲板、滑跃甲板左侧、滑跃甲板右侧、舰岛、舰后方共5个位置，如图3所示。图 3 实验示意图Fig. 3 Schematic Diagram of Experiment2.2滑跃甲板流场如图4，当航向角为0度时，舰首的滑跃甲板会产生上洗流，这与滑跃甲板上翘的结构有本质联系。滑跃甲板为了有助于飞机起飞，有一个14度的倾角，当来流打到舰首前沿时，会形成一股上洗气流，上洗气流向后发展过程中，由于惯性驱动和逆压梯度的影响而产生流动分离，同时形成一个回流区，染色液在回流区内堆积卷绕。当速度增加时，回流区堆积的染色液会变少，染色液会在水流的带动下向后移动并迅速扩散。这说明速度的增加使得回流区的位置向后推移，且脱落涡的稳定性会降低。而且随着速度的增加，气流的上洗程度也会增加。(a) 0.1 m/s (b) 0.2 m/s图 4 0度角滑跃甲板处流动显示图片Fig. 4 Flow Images on the Deck under 0 degree Angle“辽宁号”航空母舰的舰载机采用斜板滑跃起飞，相比弹射起飞装置更简单，技术要求低，但飞机起飞时的重量不如前者，使得舰载机的载油量、航程以及作战半径都受到一定的限制。舰载机滑跃起飞时，滑跃甲板的上洗气流会增大舰载机的升力，有助于舰载机安全、可靠地起飞。2.3滑跃甲板两侧流场2.3.1 航向角对滑跃甲板两侧流场的影响实验中染色液采用埋管法，将输液管的端部封住，然后从底端起每隔1 cm均匀开孔，将管埋在舰两侧的凹槽，调节均匀出液并观察现象。在开孔时需要保证每个孔的染色液能够沿相同的方向平滑地流出，然后调整染色液流量至现象最明显。在实验过程中发现对于滑跃甲板右侧，航向角为0度、15度、25度时现象比较明显，而对于-15度和-25度时染色液已经远离航母模型，对其流场基本无影响，因此不予分析。如图5，当航向角为0度即舰船与来流方向一致时，滑跃甲板两侧的水流会上洗，并且卷起流向涡。这与滑跃甲板两侧的结构有关，来流与滑跃甲板侧边存在斜角，受挤压产生上洗流并沿流向卷起流向涡。沿来流方向看，涡卷绕的方向为顺时针。这些涡会相互缠绕并向后发展，到甲板后方会逐渐开始波动，直至破碎形成一个个的脱落涡。对于滑跃甲板右侧，角度由0度增大到25度时，流向涡向甲板上方卷绕的能力也在增加，同时涡的稳定性也随着角度在变化。由0度增大到15度时，涡的稳定性在加强，涡管更加清晰，涡的稳定性最好；随着角度进一步增加，涡的稳定性下降，形成数个涡管，相互之间的干扰变得强烈，波动更加强烈而导致流向涡提前破碎。(a)0度角(b)15度角(c)25度角图 3 0.1 m/s 滑跃甲板右侧流动显示图片Fig. 3 0.1 m/s Flow Images on the Right Side of Deck对于滑跃甲板左侧，选取0度、-15度、-25度进行分析。发现其现象同右侧类似。-15度时形成的流向涡最稳定，而其他角度则稳定性较差。结果表明，不同的航向角会使得滑跃甲板两侧产生不同强度的流向涡。当航向角改变时，侧向风会增加舰面气流的湍流度，并且舰载机遇到滑跃甲板两侧卷起的流向涡，可能会导致左右机翼受力不均，进而使舰载机的滑跃起飞受到干扰。因此舰载机起飞时需要考虑滑跃甲板两侧卷起的流向涡的影响。2.3.2 水流速度对滑跃甲板两侧流场的影响实验选取0.1 m/s、0.15 m/s、0.2 m/s共三个速度，以最稳定的15度角滑跃甲板右侧来分析速度对其流场的影响。如图6，当速度为0.1 m/s时，流向涡的涡管一直稳定地发展到航母中部才开始波动；在0.15m/s时，发展到滑跃甲板的后端就开始波动；而速度增加到0.2m/s时，涡管在滑跃甲板前部就已经不能保持平直，刚刚脱离舰首位置就开始波动直至破碎。通过对比流向涡开始破碎形成脱落涡的位置，分析得出随着速度的增加，流体的扰动随之增加，流向涡的稳定性会逐渐降低。(a)0.1m/s (b)0.15m/s (c)0.2m/s图 6 15度角不同速度舰右侧流动显示图片Fig. 6 Flow Images on the Right Side of Ship under 15 degree Angle of different speed舰载机在滑跃起飞的时候为了提高起飞能力，需要增大航速以保持与海风较大的相对速度。而当速度增大时，滑跃甲板两侧的流向涡的稳定性降低，提前破碎的脱落涡会大大增加滑跃甲板上方流场的湍流度，舰载机在滑跃起飞过程中经过该区域时，其机翼的升力会不稳定，影响其气动特性。3粒子图像测速实验3.1 实验方案及实验参数设置染色液流动显示方法可以定性地探测航母部分的流场，而对于舰岛和舰尾后方等形状较大且不规则的位置，则需要利用粒子图像测速实验进行测量分析。实验中为减少激光打到舰面上的反光对实验数据的影响，将原本白色的模型喷漆呈黑色。实验通过调节激光截面位置和航母位置，以保证对流场进行尽量全面的探测。考虑到航向角为25度和-25度受到的壁面干扰较大，且不好调节激光截面，实验共选取了三个航向角度：0度、15度、-15度。如图7，其中激光截面在竖直方向上移动，在中间的位置记为Mid，每一次移动的距离为40 mm，分别记为L1、L2、L3、R1、R2、R3；航母在水平方向上移动，每一次移动的距离为230 mm，分别记为A、B、C、D。测量不同航向角时，在调整好航母模型的角度后，激光截面仍然按照固定的位置移动，进行不同流速的测量。每一组测得的数据命名为“航向角-激光截面位置-航母模型位置-水流速度”， 如“15度-L1-B-v0.15”。(a)航向角 0度(b)航向角 15度(c)航向角 -15度图 7 不同航向角下粒子图像测速实验示意图Fig. 7 Schematic Diagram of PIV Experiment Under Different Angle3.2航母流场特征在航向角为0度，水流速度为0.15 m/s时，挑选Mid位置的A、B、C、D四个截面进行测量。可以依次观察航母舰首滑跃甲板处的流场，舰主体甲板上的流场和舰尾处的流场，分析航母上各个部位的流场特征。图8(a)为滑跃甲板处的流场。水流遇到翘起的舰首产生上洗流，同时在滑跃甲板产生回流区。回流区的产生与滑跃甲板上翘的舰首结构有本质联系，流体遇到舰首阻挡，挤压产生上洗流，而后在舰首处产生回流。回流区范围内存在涡旋，并且向后发展到后方甲板上，使流场变得混乱。实验结果和染色液流动显示实验相互符合，同时展示了更加微观的结构。图8(b)和8(c)为舰主体甲板上的流场。由于甲板上没有多余的附加装置，较为平坦，因此探测到的流场也较为平顺，两者都在靠近甲板的位置存在一些低速涡旋。因为前方水流经过翘起的滑跃甲板之后向后发展，导致靠近甲板的水流速度较低。而图8(b)更加靠近舰首，受到的影响更大，导致靠近甲板的低速涡旋范围较大，同时整体流线呈下洗状态。图8(d)为舰尾的流场。其中上方的流线比较平稳，而下方流线呈现略微下洗。舰尾后下方的流场存在大量涡旋，流线变得杂乱，显示出流场的稳定性较差，非定常性较强。舰尾流场类似于后台阶流场结构，由于舰尾的后方几何结构的突然变化，导致其流动突然膨胀，在舰尾后下方产生大量涡旋。同时还存在封闭回流区，回流区存在旋转的大结构涡。 (a)0度-Mid-A-v0.15 (b)0度-Mid-B-v0.15 (c)0度-Mid-C-v0.15 (d)0度-Mid-D-v0.15图 8 0度-Mid-v0.15整体流场图Fig. 8 Flow Images on 0 degree-Mid-v0.153.3舰岛流场由于舰岛形状较大且不规则，染色液流动显示实验没法有效探测，但是利用粒子图像测速图则可以较为清晰地看出舰岛后方的流场特征。图9为不同速度下舰岛处的流场。在0度角时，舰岛后方流线呈下洗状态，存在着较强的下洗气流。而舰岛的凸起结构则会诱导产生大量的不稳定脱落涡，由于在0度角时，舰岛相对于来流的横截面较小，因此脱落涡的影响没有扩大到整个后方甲板上。随着水流速度的增加，舰岛后方脱落涡的强度变大，并且越靠近舰岛的凸起结构，低速涡旋的影响范围更大。(a)0度-L2-C-v0.1(b)0度-L2-C-v0.15(c)0度-L2-C-v0.2图 9 不同速度下舰岛流场图Fig. 9 Flow Images of Ship Island Under Different Speed图10为不同航向角下舰岛处的流场。航母在行进过程中会形成甲板风，甲板风遇到舰岛阻碍后会在其后方形成大区域的紊乱气流。当舰岛与来流存在一定角度时，舰岛后方存在大量的脱落涡，脱落涡区域内的流线十分杂乱，流场稳定性较差。当航向角为15度时，脱落涡的区域大致在舰岛后方呈30度角斜向后分布。当航向角为0度时，脱落涡紧贴着舰岛的凸起结构。当航向角为-15度时，脱落涡在舰岛后方波浪形分布。随着航向角的增大，舰岛相对于来流的横截面积也增大，导致舰岛后方的脱落涡强度增加，对后方甲板流场的影响加大，其中15度角的舰岛形成的脱落涡对后方流场的影响最大。脱落涡会对舰载机着舰时气动力产生扰动，增加着舰的操纵难度。(a)15度-L2-C-v0.15 (b)-15度-L1-C-v0.15图 10 不同航向角下舰岛流场图Fig. 10 Flow Images of Ship Island Under Different Angle4 结 论本文以“辽宁舰”航母的缩比模型为研究对象，在多功能循环水槽中研究与“辽宁号”航空母舰具有相似几何外形的模型的尾流结构，分析其对舰载机的干扰，得出以下结论：1、 舰首滑跃甲板存在上洗气流且两侧会产生流向涡。滑跃甲板的上洗气流会增大舰载机的升力，有助于舰载机安全、可靠地起飞。而流向涡可能导致左右机翼受力不均，进而使舰载机的滑跃起飞受到干扰。2、随着速度的增加，流体的扰动随之增加，舰首滑跃甲板两侧的流向涡稳定性会逐渐降低，流向涡破碎形成脱落涡的位置会提前。舰载机在滑跃起飞过程中经过该区域时，其机翼的升力会不稳定，影响其气动特性。3、舰岛后方存在大量脱落涡，随着航向角的增大，舰岛相对于来流的横截面积也增大，导致舰岛后方的脱落涡强度增加，对后方甲板流场的影响加大。舰岛后方的脱落涡会对舰载机着舰时的气动力产生扰动，增加着舰操纵难度。参考文献:1郭锁凤，申功璋，吴成富，等. 先进飞行控制系统系统M. 北京：国防工业出版社，2003.2耿建中，姚海林，张宏. 舰尾流对舰载飞机下滑特性影响研究J.系统仿真学报，2009,21(18)：5940-5943.3王奇，吴文海，胡国才. 抗尾流干扰的自动着舰非线性控制研究J. 飞行力学，2013,31(4)：317-320.4顾蕴松,明晓. 舰船飞行甲板真实流场特性实验研究J. 航空学报，2001,22(6)：500-504.5任荣生，孙建红，卢森林.舰船模型后甲板流场特性研究J. 南京航空航天大学学报，1994,26(5)：621-627.6HEALEY V J. Establishing a database for flight in the wakes of structuresJ. Journal of Aircraft, 1992,29(4)：559-5647浩冶，谢辉松. 滑跃起飞过程舰体周围流场的数值模拟J. 空气动力学，2008,26(4)：514-518.8陆超，姜冶芳，王涛. 不同工况条件对舰船舰面空气流场的影响J. 舰船科学技术，2009(09)：38-42.9贲亮亮，魏小辉，刘成龙，等. 航母甲板风对舰载机进舰轨迹流场影响分析 J. 舰船科学技术. 2014(1)：27-30.10孙鹏，刘文峰，钟兢军，等. 风向对舰船甲板流场结构影响的数值研究J. 大连海事大学学报. 2016,42(1)：57-64.Experimental Study on Aircraft Carrier Air WakeBAO Feng，ZENG Hualun，ZOU He，ZHU Rui，LIU Zhirong*(School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China)Abstract: Aircraft carrier air wake has an important impact on the carrier-based aircraft take-off and landing. Identify the aircraft carrier wake interference reason of carrier-based aircraft could be used to improve the safety of the aircraft take-off and landing. Experiment take Liaoning aircraft carrier shrinkage model as the research object, and research on the wake structure of the model in multifunctional water tunnel, which has similar geometry shape of the Liaoning aircraft carrier. Using the dyeing flow visualization experiment and PIV measurement to measure the wake structure of aircraft carrier, which changes with heading angles, velocity of flow and the key positions. Based on the definition of the width of model, the scope of Reynolds number is 2104 to 4104. The research shows that there are upwash on the ski jump deck and flow vortex on both sides of the ski jump deck, which have an impact on the lift of carrier-based aircraft. Besides, there are shedding vortices behind the ship island and stern, which will interfere the aerodynamic force of carrier-based aircraft and greatly increase the operating difficulty of landing.Key words: Liaoning aircraft carrier; aircraft carrier air wake; dyeing flow visualization; particle image velocimetry