由于海上气流流速较大，流经上层建筑时会产生强烈的湍流区，使得舰船甲板流场环境恶劣。直升机在舰船甲板起降过程中易受到恶劣甲板流场环境的影响，使得飞行员的操作难度增大，降低了直升机的安全性^[1]。舰面来流流经舰船上层建筑后拖出紊乱的旋涡^[2]，这些紊乱的旋涡对直升机舰面安全起降产生了严重的影响，例如舰面起动阶段的旋翼有可能产生过度的桨尖挥舞位移^[3]。尽管国内、外学者对舰面流场特征的研究很多^[4-9]，但很少有人对舰载直升机所面对的复杂流场的流动控制和改善流场的不稳定性进行过研究。

流场流动控制分为被动流动控制和主动流动控制。被动流动控制是指对舰船的上层建筑或舰船甲板边缘的几何外形进行一定的程度改进，以减小舰船甲板流场中的不稳定性或消除不被期望出现的流动特征。目前，大多数学者对舰船甲板流场流动控制的研究都集中于此。Czerwiec等^[10]通过风洞实验和CFD模拟的方法研究了舰艏安装导流板的有效性，结果表明向下偏转的导流板能大幅减小舰艏气流分离从而改善甲板区域流场流动。Greenwell等^[11]通过风洞实验研究了舰船甲板流量控制装置的有效性，研究表明安装在机库门周围的倾斜多孔滤网能有效降低甲板流场的湍流强度和下洗速度。Findlay等^[12]通过风洞实验研究了机库周围增加围栏对甲板流场的影响，研究表明在前方来流时增加围栏可通过减小局部流动中的平均动量损失和湍流强度从而达到改善甲板流场的作用，随着偏航角增大，控制效果不再明显。Shi等^[13]研究了不同外形的流动控制装置对甲板旋翼气动载荷的影响，研究表明流动控制装置能有效提升直升机舰面起降安全性。Shafer等^[14]在舰船甲板的四周安装了不同形状和材料的控制装置，通过风洞试验发现该装置虽然能够增加甲板上方流场的稳定性，但是略高于机库流场的湍流强度会增加。主动流动控制则是通过某些装置将不被期望出现的流动特征(例如高度紊流区)移动至对舰载直升机安全影响较小的区域。目前国内、外关于此方面的研究较少。

舰船甲板流场流动控制的目的在于减小直升机操纵的危险，提升直升机起降安全性。已有的研究表面旋翼在舰面启动过程中，旋翼气弹响应受流场分布影响明显^[15-20]。为研究基于射流的舰船甲板流场主动流动控制，建立了舰船CFD模型并通过与实验数据对比验证模型的正确性。通过对比添加射流前后舰船甲板流场信息分析了加装射流装置对舰船甲板流场的流动控制作用，并对比了射流速度，射流装置布置和来流方向对射流装置流动控制作用的影响。

1 计算方法与模型 1.1 数值方法

本文采用的k-ε湍流模型适用于完全湍流的流动过程模拟，能很好的模拟甲板流场流动分离过程。k-ε湍流模型是一种双方程湍流模型，通过湍动能方程和湍流耗散率方程对湍流过程进行模拟。湍动能运输方程(k方程)是通过精确推导得出的精确方程，方程为

$ \begin{aligned} & \frac{\partial(\rho k)}{\partial t}+\frac{\partial\left(\rho k u_i\right)}{\partial x_i}= \\ & \frac{\partial}{\partial x_j}\left[\left(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_k}\right) \frac{\partial k}{\partial x_j}\right]+G_k+G_b-\rho \varepsilon-Y_M+S_k \end{aligned} $

(1)

湍流动能耗散率ε的方程是一个经验公式，方程为

$ \begin{aligned} & \frac{\partial(\rho \varepsilon)}{\partial t}+\frac{\partial\left(\rho \varepsilon u_i\right)}{\partial x_i}=\frac{\partial}{\partial x_j}\left[\left(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_{\varepsilon}}\right) \frac{\partial \varepsilon}{\partial x_j}\right]+ \\ & C_{1 \varepsilon} \frac{\varepsilon}{k}\left(G_k+C_{3 \varepsilon} G_b\right)-C_{2 \varepsilon} \rho \frac{\varepsilon^2}{k}-Y_M+S_{\varepsilon} \end{aligned} $

(2)

式中：u_i为各方向上的速度分量，G_k为由层流速度梯度产生的湍动能，G_b为由浮力引起的湍动能，Y_M为在可压缩湍流中过度的扩散产生的波动，S_k、S_ε为自定义参数。方程中的C_1ε、C_2ε和C_μ为可调的经验参数，可以使计算更加趋于合理，取值分别为：C_1ε=1.44、C_2ε=1.92和C_μ=0.09；σ_k、σ_ε分别为湍动能运输方程和湍动能耗散率方程的湍流普朗特数，分别为σ_k=1.0和σ_ε=1.3。

由层流速度梯度产生的湍动能k的产生项G_k表达式为

$ G_k=\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right) \frac{\partial u_i}{\partial x_j} $

(3)

对于不可压缩流体，由于浮力而引起的湍动能k的产生项G_b=0，脉动扩张Y_M=0。

湍流黏度μ_t可以表示成湍动能k和湍流耗散率ε的函数，即

$ \mu_t=\rho C_\mu \frac{k^2}{\varepsilon} $

(4)

1.2 几何建模

本文所采用的舰船模型是已经被国际学者广为认知并标准化的SFS2(simple frigate ship)模型。SFS2模型把真实的舰船模型进行了较大的简化，只保留了简单的上层建筑。SFS2模型尺寸如图 1所示。

本文提出的舰船甲板流场主动流动控制方法采用射流装置。以分布于上边缘的上射流装置和下边缘的下射流装置为例研究射流装置对于甲板流场的流动控制作用。射流装置位置如图 2所示。

网格划分采用非结构化网格，网格划分如图 3所示。假设海面为刚性平面，壁面条件设定为无滑移壁面，入口设定为速度入口条件，出口设定为压力出口条件，湍流模型选用k-ε湍流模型。上、下射流装置在计算过程中设定为速度入口条件，模拟恒定速度的射流。为得到甲板流场的复杂流动信息，对甲板附近网格进行了局部加密。

1.3 网格无关性验证

为验证模型网格的无关性，采用了150万节点(网格1)、260万节点(网格2)和410万节点(网格3)的结果进行对比。3种不同数量的网格的CFD求解平均速度的分量与文献[16]中的风洞实验数据和CFD计算数据对比如图 4所示。

监测的直线位于与机库等高的飞行甲板长度的1/2处，宽度与甲板相同。横轴表示坐标除以甲板宽度b后的量纲一的位置，纵轴为各方向速度分量除以自由来流速度的量纲一的速度。从图 4可看出在410万节点网格下所得到的CFD计算结果与文献中的风洞实验数据和CFD计算数据均表现出良好的吻合性，因此采用410万节点网格模型对流场进行计算。

1.4 计算方法验证

SFS2模型作为被广泛使用的舰船简化模型，国内、外进行了大量的试验和模拟，已有的研究^[10]表明SFS2模型产生的甲板流场可以用来模拟真实甲板流场的各项流动特征。成熟的风洞试验使得该模型的验证对比数据具有较高的可信度。0°来流时，CFD求解的平均速度垂向分量与文献[10]中的数据对比如图 5所示。

所测量的直线位于与机库等高的飞行甲板长度的1/2处，宽度为甲板宽度的2倍。图中横轴表示坐标与甲板宽度b的比值，纵轴为垂向的量纲一的速度。从图 5可以看出，本文计算结果与文献[10]的CFD计算结果精度相当，CFD计算结果与风洞试验数据表现出良好的一致性。

当来流方向改变时，甲板流场会产生显著变化，为验证模型在不同来流方向时的有效性，以右侧45°来流为例，CFD计算结果与风洞试验结果^[17]对比如图 6所示。

当来流方向为右侧45°来流时，本文计算结果与文献的CFD计算结果精度相当，与风洞试验数据表现出良好的一致性，因此该方法可以用来模拟舰船甲板流场。

2 舰船甲板流场主动流动控制研究 2.1 射流系统的有效性

为了控制横跨整个甲板的涡流区，射流装置的宽度设置为与甲板同宽d=W=16 m，射流装置高度设置为h₁=h₂=1 m。首先以只安装上射流装置为例，分析射流安装后对甲板流场的流动控制作用，并对比不同射流速度的流动控制效果。来流方向为0°风向角，来流速度为20.0 m/s，上射流装置工作且射流速度分别为7.0, 10.0, 15.0 m/s，上射流速度方向与机库门夹角为90°。

图 7(a)、7(b)展示了SFS2模型在没有射流装置影响时的甲板流场速度分布和流场流线。流线图的背景为下洗速度，白线为流场再附着点位置，甲板流场分布选取舰载机停靠在甲板时桨盘高度水平面。从图中可以看出空气流过机库时，由于诱导作用使得机库附近甲板流场产生了涡。再附着点位于距离机库门14.2 m位置。涡的存在直接影响了直升机在舰船甲板起降时旋翼受到的气动力，使得旋翼受力情况复杂，影响了直升机甲板起降的安全性。而本文所提出的流场控制方法就是为了减小流场对旋翼气动力的影响。

图 7(c)、7(d)所示的是加装射流速度为7.0 m/s的上射流装置时甲板流场速度分布和流线分布。在甲板流场分布图可看出位于回流区的范围减小，甲板流场流速略有增大。从流线图中可看出由于射流的存在，回流区高度显著降低。再附着点位于距离机库门13.8 m位置。这是由于射流装置的存在，回流区在射流加速作用下涡强度增大，回流区能量增大而影响范围减小。图 7(e)、7(f)所示是加装上射流装置，上射流速度为10.0 m/s时的甲板流场和流线分布图。从甲板流场分布图中可看出随着射流速度的增大，甲板流场速度进一步增大，位于回流区的范围进一步减小。再附着点位于距离机库门13.0 m位置。图 7(g)、7(h)所示是加装上射流装置，上射流速度为15.0 m/s时的甲板流场和流线分布图，从图中可看出，当上射流速度增大至15.0 m/s时，甲板流场分布与之前相比有了较大的变化，这是由于随着上射流速度的不断增大，回流区形成过程中涡强度不断增大，回流区影响范围更加集中，进而使得甲板流场在靠近两侧边缘的位置流场速度显著增大。此时再附着点位于距离机库门12.3 m位置，涡的范围显著减小。

由于流动控制主要目的是对旋翼气动力的控制，对比桨盘位置流场分布更能直观地体现流动控制的效果。因此取直升机位于甲板中央时桨盘位置流场图进行分析。

从图 8可看出随着射流速度的增大，桨盘流场速度逐渐增大，结合图 7中流线图所示的流场流向可对旋翼气动力进行分析。由于上射流的加入，甲板流场流速增大，位于回流区的范围减小，因此在桨盘位置流场速度梯度有所减小。随着射流速度的增大，桨盘位置流场速度梯度进一步减小。已有研究^[19-20]表明舰载直升机启动过程中旋翼气动力受舰面流场速度梯度影响明显。当舰面流场速度梯度较大时，旋翼气动力变化较大，桨叶旋转过程中可能会出现过大的气弹响应，影响直升机的安全起降。因此桨盘位置流场速度梯度的减小有效的减小了旋翼在旋转过程中的气动力变化，从而减小旋翼响应和操纵力变化。

结果表明上射流装置可以对舰船甲板流场进行控制，从气动力变化方面验证了射流系统对于流场主动控制的有效性。

2.2 射流系统参数研究

由于射流系统可对甲板流场进行控制，而不同射流安装方式和射流方向组成的不同射流系统方案可能会对甲板流场产生不同的控制效果，因此对射流系统参数进行研究。来流角0°，来流速度20.0 m/s，不同射流系统的布置见表 1。

不同射流系统甲板流场速度分布与流线对比如图 9所示。从甲板流线图对比可看出上射流与机库门夹角对流场影响较小，从甲板流场图可看出在选择不同的上射流装置与机库门夹角时，方案1再附着点位于距离机库门14.0 m位置，方案2再附着点位于距离机库门13.8 m位置，方案3再附着点位于距离机库门14.0 m位置。方案2即上射流与机库门夹角为90°时回流区对流场影响最小。当选择下射流装置时，从甲板流线图可看出在下射流的影响下，回流区变为两个方向相反的涡，一个是在经过机库边缘的自由来流诱导下产生的涡，一个是下射流诱导产生的涡。下射流诱导产生的涡与自由来流诱导产生的涡互相影响，使得甲板流场受回流区影响增大。当下射流与机库门夹角为60°时，射流对自由来流诱导产生的涡产生影响，致使射流诱导产生的涡与自由来流产生的涡分解并不明显，互相干扰。当下射流与机库门夹角为90°时，射流产生的涡与自由来流产生的涡边界清晰，互相干扰较小，且射流不会直接对自由来流产生的涡产生影响，因此下射流与机库们夹角为90°时甲板流场受回流区影响更大。

桨盘流场模拟结果如图 10所示，从图中可以看出，在上射流的不同射流角度中，与机库门夹角为90°时桨盘流场具有最小的速度梯度，旋翼气动力变化较小，具有较小的响应。因此上射流装置与机库门夹角为90°时可以产生较好的流动控制效果。下射流的存在使得桨盘流场速度梯度增大，可能会造成更大的旋翼气动力变化，引起响应和操纵等一系列的问题。因此在0°来流角时射流装置设计过程中应选用与机库门夹角为90°的上射流对甲板流场进行流动控制。

为对比不同射流系统布置方案时射流速度对流场控制效果的影响，在表 1方案的基础上增加射流速度为10.0, 15.0 m/s的模拟。以速度梯度为关键参数对不同方案和不同射流速度下桨盘流场不同相位角处的速度进行对比。

图 11中横坐标为桨盘的相位角，纵坐标为各相位角处桨盘边缘流场速度与桨盘中心点流场速度的量纲一的差值。当曲线平缓且靠近x轴时桨盘具有较小的速度梯度。从图中可看出方案1时桨盘处流场速度梯度相比原流场有所减小，随着射流速度的增大，速度梯度进一步减小。方案2时桨盘处流场速度梯度相比原流场有所减小，随着射流速度的增大，速度梯度先增大后减小。方案3时桨盘处流场速度梯度相比原流场有所减小，随着射流速度的增大，速度梯度增大。方案4时桨盘处流场速度梯度相比原流场有所增大，随着射流速度的增大，速度梯度有所减小。方案5时桨盘处流场速度梯度相比原流场有所增大，随着射流速度的增大，速度梯度有所减小。

射流速度对流场控制效果具有显著影响，在不同的射流装置设置情况下，射流速度对流场控制效果的影响有所不同。因此在射流速度的选择中应结合射流装置设置从而取得更好的控制效果。

2.3 不同来流角时射流的有效性

舰船航行过程中来流方向并非一成不变，为验证不同来流角时射流系统的有效性，以上射流装置，射流速度7.0 m/s，射流方向与机库门垂直为例对不同来流角时的流场进行模拟。来流角选取0°、90°、180°和270°。

图 12显示了各个来流角度下添加射流装置时的流场与原流场的对比，在0°时添加射流装置显著的减小的回流区对甲板流场的影响。来流角为90°、270°时，上射流对由机库拖出的涡具有加速作用，使得回流涡强度增大。随着回流涡强度的增大，涡的黏性增强，因此影响范围有所减小。从甲板流场图看出在添加射流装置时，低速范围即回流区减小。来流角为180°时，由于机库的阻塞作用，在靠近机库位置产生回流区，此时添加射流装置会降低自由来流的绕流速度，减小诱导涡的产生，因此涡的范围减小，即回流区范围减小。从甲板流场图可看出在添加射流装置时，流场回流区减小。

桨盘边缘速度对比如图 13所示, 桨盘流场模拟结果如图 14所示，图 13中横坐标为桨盘的相位角，纵坐标为各相位角处桨盘边缘流场速度与桨盘中心点流场速度的量纲一的差值。从图中可看出在射流影响下各个来流方向时桨盘范围速度梯度都有所降低，其中180°来流时射流对流场的控制效果较差。0°来流时桨盘范围速度最高处在射流装置影响下有微小的增大，增大了0.895%，速度最低处在射流装置影响下升高39.952%。90°来流时桨盘范围速度最高处在射流装置影响下有微小的增大，增大了0.774%，而速度最低处在射流装置影响下有显著升高，升高66.228%。180°来流时桨盘范围速度最高处在射流装置影响下降低9.386%，速度最低处在射流装置影响下升高8.150%。270°来流时桨盘范围速度最高处在射流装置影响下有微小的增大，增大了1.541%，速度最低处在射流装置影响下增大94.658%。

在各个来流角度下，添加上射流装置均能有效减小桨盘流场速度梯度。速度梯度的减小使得旋翼气动力变化较小，从而减小响应。因此在不同的来流角下添加上射流装置均能通过控制甲板流场从而减小响应，提高直升机的安全性。

3 结论

1) 0°来流角时，上射流的添加可以使得再附着点位置靠近机库门，与机库门的距离减小超过13%，甲板流场中回流区的影响范围减小，从而使得桨盘流场速度梯度减小。

2) 0°来流时，上射流与机库门夹角对控制效果影响较小，在90°夹角时控制效果相比60°夹角和120°夹角更好。下射流无法达到预期的流动控制效果。

3) 射流速度对流场控制效果具有显著影响，在不同的射流装置设置情况下，射流速度对流场控制效果的影响有所不同。在射流速度的选择中应结合射流装置设置从而取得更好的控制效果。

4) 不同来流角时上射流的添加均能减小回流区的影响范围，从而使得桨盘流场速度梯度减小。因此在不同的来流角下添加上射流装置均能通过控制甲板流场从而减小响应，提高直升机起飞时的安全性。