舰载直升机机舰配合过程仿真建模技术研究

基于FLIGHTLAB开发环境建立了直升机和舰艇之间的机舰配合系统仿真模型。按照相关要求开发了海面风场、甲板流场和舰船运动学系统仿真模型,编制了相关计算软件包,进行了机舰配合过程系统仿真的初步研究,并为舰载直升机训练模拟器配套了系统仿真软件。数学模型中包含直升机飞行动力学仿真模型、局部非定常舰面效应仿真模型、甲板流场仿真模型、海面紊流模型、舰船运动学数学仿真模型以及海面风场仿真模型,各模型定义在统一仿真空间内,实现了模型之间的时空无缝交联。基于上述仿真模型,开展了机舰动态配合仿真计算、舰面起降过程和包线分析计算,包括静态着舰过程及舰上操作仿真计算、机舰运动配合着舰等动态分析科目。该软件包已在舰载直升机综合任务训练模拟器上得到推广应用。

直升机与舰船耦合流场的旋涡与分离特性

直升机的舰面起降安全性问题一直受到广泛关注,舰船尾流和旋翼涡流的相互干扰耦合,对舰载直升机的操纵产生了极大威胁。为了克服稳态计算和动量源法的局限性,采用重叠网格法模拟旋翼的转动,对直升机舰面悬停和下降过程中的非定常耦合流场进行了数值计算。结果表明,重叠网格法能够更准确地捕捉旋翼涡流场的细节。直升机舰面悬停过程中,旋翼拉力系数逐渐收敛并表现为稳定的周期性波动,桨尖涡呈螺旋状脱落,与机库后方回流区及舷涡发生干扰,流场的非定常效应明显;直升机着舰过程中,回流区的再附点先向舰尾方向移动然后逐渐向舰首方向移动,桨尖涡与舰面旋涡的挤压碰撞加剧,使得旋翼拉力系数产生显著振荡,耦合流场的湍流度急剧增加且振荡幅度越来越大,加大了着舰的风险性。

舰载直升机起降区空气流场模拟方法研究

基于计算流体力学(CFD)技术建立了2种舰载直升机起降区空气流场的计算方法,以用于分析舰船/直升机之间的耦合干扰问题。在这2种方法中,控制方程选取N-S方程,求解方式采用隐式耦合方式,湍流模型为k-ε模型,分别使用"作用盘方法"和"运动嵌套网格方法"模拟旋翼。应用建立的方法,以SFS2简化船型、Robin旋翼和"Caradonna-Tung"旋翼分别作为算例,并与试验值进行对比,验证了方法的有效性。在此基础上,深入地进行起降区舰船/旋翼耦合流场的计算研究。研究结果表明:舰船上层建筑物的存在会引起起降区下洗速度增大,使得旋翼拉力减小;"作用盘方法"能有效地用于舰船/直升机耦合流场的分析,而"运动嵌套网格方法"可以捕捉到起降区空气流场的细节,但其需要耗费巨大的计算量。

应用CFD方法的舰载直升机舰面气弹响应计算与分析

舰载直升机所处的环境恶劣,易出现旋翼桨尖过度挥舞及机身碰撞等事故,研究直升机舰面气弹响应可预防此类事故的出现。应用CFD方法获得舰船流场数据,结合桨叶动力学模型,综合提出旋翼气弹响应计算分析方法,研究不同来流速度、悬停位置与风向角下旋翼的气弹响应。结果表明:本文提出的气弹响应计算分析方法正确可行;舰船来流速度的增加会引起桨尖响应最大值的增大,速度从20 m/s变为40 m/s时,响应幅值增加了8.35%;悬停位置主要影响桨尖位移响应沿桨盘方位角的分布;来流风向角的改变会显著影响旋翼气弹响应,桨尖挥舞位移最大值与舰船尾流场的垂向速度分布有关,变化梯度越大桨尖挥舞最大值亦越大。

基于CFD的舰载直升机起降理论风限图研究

基于CFD技术建立了一种舰载直升机配平分析方法,以动量源的形式计入直升机旋翼作用,用于分析舰船/直升机之间的耦合干扰问题,并可实现舰机耦合干扰流场的快速计算,突破了原先飞行力学模型中气动参数单向耦合方式的局限性。在该方法中,控制方程选取N-S方程,湍流模型采用k-ε模型,求解方式采用隐式耦合方式,网格上运用自适应切割体网格进行划分,并引入舰载直升机安全着舰判据,发展了一个可用于计算舰载直升机着舰理论风限图的模型。应用建立的方法,以黑鹰直升机作为算例,与试验值进行了对比,验证了方法的有效性。在此基础上应用该模型计算得出了特定舰机组合下的理论风限图。

LHA多机起降过程中的耦合流场仿真

为研究多机起降过程中的舰面/旋翼流场干扰问题及耦合流场对直升机操纵量的影响,采用计算流体动力学(CFD)仿真方法及作用盘法对两栖攻击舰LHA上多机起降过程进行仿真研究。研究结果表明,前机侧舷进离场过程中,耦合流场对后方相邻起降点位置的直升机产生较大影响,后机开车时应避开前机进离场的时间区间;进离场过程中,前机对后机操纵量影响较大,当前机位于着舰点上方时,随着其高度的增加,后机总距先增大后减小、俯仰周期变距及滚转周期变距均增大;当前机偏离着舰点距离大于0.5R(直升机旋翼半径)时,随着前机高度的增加,后机总距、俯仰周期变距及滚转周期变距均减小。研究成果可为多机起降作业安全提供借鉴和参考。

复杂旋翼流场的耦合欧拉-拉格朗日数值方法

针对影响旋翼流场求解精度的关键因素"桨叶复杂近体流动"和"尾迹涡畸变",结合计算流体力学(CFD)方法和黏性涡方法,发展了一套适合于复杂旋翼涡流场分析的耦合欧拉-拉格朗日数值方法:为捕捉桨尖三维效应、激波等细节流场特征,在桨叶近体区域采用CFD方法对其进行求解;针对高雷诺数旋翼流场中桨尖涡的紧凑结构特点,引入黏性涡方法建立了高分辨率的尾迹求解模型;两计算域间的信息交换采用了集中涡源法和边界修正法。应用所建立的计算方法,以旋翼CFD标准验证试验(Caradonna-Tung旋翼)为算例,对尾迹影响明显的悬停状态进行了数值模拟,通过对比耦合边界处流场特征及桨叶表面压力系数分布,验证了方法的有效性。此外,还从旋翼尾迹捕捉精度、涡量耗散特征及计算时间等方面对不同计算方法进行了对比分析,结果表明耦合方法可充分发挥CFD和黏性涡方法各自的优点,在旋翼流场数值模拟方面具有独特的优势。

风向对甲板直升机旋翼流场结构的影响

采用数值模拟方法对船体与直升机旋翼的复合流场进行求解,研究了不同风向时复合流场的流线形态与湍动能分布、旋翼桨叶表面静压分布与旋翼升阻特性.数值模拟的正确性由缩比船模风洞试验验证.研究结果表明:旋翼流场与船体流场间存在相互干扰;侧风会增大复合流场的湍流范围,加剧旋翼周围流场的湍流强度和旋翼桨叶的挥舞振动;右舷15°风向条件不利于直升机的甲板悬停.

舰面流场中起动位置对旋翼瞬态气弹响应影响

为研究舰面流场中直升机起动位置对旋翼瞬态气弹响应影响,通过CFD方法模拟得到舰面流场速度分布信息。旋翼动力学建模采用非线性准定常气动模型和中等变形梁假设,结合不同起动位置对动力学方程进行求解。结果表明:直升机起动位置越靠近舰艏和左舷,桨叶负向挥舞越大。在甲板中心1m范围内,最靠近舰艏和左舷的位置负向最大位移可达15.9%旋翼半径,中心处负向最大位移仅为8.5%旋翼半径,源于靠近舰艏和左舷位置垂向气流变化梯度明显高于舰艉和右舷。研究表明舰面流场垂向气流变化梯度对旋翼瞬态气弹响应影响明显,改变直升机起动位置能有效降低旋翼瞬态气弹响应。

舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场数值模拟研究

倾转旋翼机是当前旋翼飞行器研究的热点,但有关舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场的研究还很少。以两栖攻击舰(LHA)和V-22"鱼鹰"倾转旋翼机为研究对象,基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型对舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场进行数值模拟研究,并探讨了不同着舰高度时机/舰耦合流场的相互作用。结果表明:倾转旋翼尾流会与舰船脱落涡、甲板舷涡以及舰岛艉涡发生较强的"涡-涡干扰"现象,加大了耦合流场的湍流强度;舰船流场的低频非稳态特征会导致旋翼桨盘气动载荷发生显著的波动,不利于飞行操纵;垂直降落过程中,舰船甲板会形成"前低后高"的压力分布特征,倾转旋翼RMS气动载荷值也会明显增加,降低了着舰安全性,且右旋翼RMS气动载荷值比左旋翼平均大一倍以上,这也表明右旋翼面临着更加严峻的气动环境。