一种舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统及其方法

摘要

本发明公开了一种舰尾飞行甲板流场的主动流动控制方法，其特征在于，风速风向传感器检测舰船的风速与风向角；当舰载直升机起降时，根据所检测的风速与风向角，控制单元驱动流动控制执行元件产生控制气流，改变主流的流动状态，减小涡流区范围，抑制较强上洗或下洗气流的形成，减弱舰载直升机着舰时受到的滚转力矩和偏航力矩，改善舰船尾部飞行甲板上方的流场结构。本发明应用于带机库的海监船、驱逐舰等船型，可以控制甲板上方的复杂流场，改善流场均匀性。

说明书

技术领域

本发明属于空气动力学技术领域，涉及一种舰船尾部飞行甲板流场改善方法，尤其是一种舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统及其方法。

背景技术

舰载直升机在舰尾飞行甲板会受到复杂的海况和舰船高速航行影响，气流会在舰船尾部飞行甲板上形成复杂的流动结构，包括严重的低压分离区、以及甲板两侧船舷处产生的上洗、下洗气流等。这些复杂的流动结构给直升机降落造成了极大的操纵难度，甚至会酿成坠机事故。由于舰船尾部飞行甲板上的流场不稳定性，舰载直升机降落成了最难掌握的飞行技术之一，即使最有经验的飞行员也无法判断复杂的流场会对直升机降落造成怎样的影响，此操作失误据报道已经发生多次事故，造成了巨大的生命与财产损失。

目前的解决方法主要是制作舰载直升机舰上起降风限图，根据舰船的风速和迎风角等找出防止出现起降危险的极限边界，当风速和风向超出这个极限条件时阻止舰载机的降落，造成了当前舰载机“有风不飞，有风不降”的现状，致使舰载直升机降落的操纵难度大，舰载机降落的风限范围小，降落过程中人员和飞机的安全性低。

在“舰尾飞行甲板流场特性及流动控制研究”一文(陆伟，舰尾飞行甲板流场特性及流动控制研究[D]，南京：南京航空航天大学研究生院，2014：1-61；论文编号102870114-S013)中，针对舰尾飞行甲板上的复杂流场结构，公开了一系列流动显示和流态测量实验，发现军舰尾部在机库后方存在一个尺度很大的三维分离区，整个甲板范围内存在很强的下洗气流，机库后方分离区内存在明显的旋涡结构；当舰船与气流夹角50°时在迎风侧舷线处存在严重的上洗气流。研究采用在机库顶加弯曲导流片的方式进行控制，在0°风向的设计工况下取得了较好的改善效果，但是对于舰船航行时更为普遍的大风向非设计工况，这种被动流动控制的方法不能起到很好的控制效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统及其方法，可根据舰船的实时状态通过主动流动控制方式来减小甲板上方气流的不稳定性，从而减小舰载直升机降落的操纵难度，保证降落过程中人员和飞机的安全，可适用于各种不同工况。

为解决现有技术的上述问题，本发明采用以下技术方案。

本发明的一种舰尾飞行甲板流场的主动流动控制方法，其特征在于，风速风向传感器检测舰船的风速与风向角；当舰载直升机起降时，根据所检测的风速与风向角，控制单元驱动流动控制执行元件产生控制气流，改变主流的流动状态，减小涡流区范围，削弱上下洗气流，改善舰船尾部飞行甲板上方的流场结构。

所述的控制单元驱动流动控制执行元件产生控制气流，改变主流的流动状态，是指：利用所述的流动控制执行元件在舰船机库附近施加流动控制，通过引导气流流动来补充机库后方由于后台阶流动形成的涡流区压力，从而有效减小涡流区的范围，削弱在舰载直升机降落到甲板的过程中低压吸力和其引起的俯仰力矩的作用；并且在机库侧缘引入高能量流体和漩涡，来增强甲板两侧气流的掺混，抑制较强上洗或下洗气流的形成，减弱舰载直升机着舰时受到的滚转力矩和偏航力矩。

进一步的，可通过改变所述的流动控制执行元件的位置、朝向和转速来调节其出口气流的位置、方向和速度，来产生正反向气流；

进一步的，可通过控制单元来控制接通各位置的所述的流动控制执行元件，获得适用于不同风速风向的控制效果。

本发明的一种舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统，其特征在于，包括：

风速风向传感器，用于检测舰船的风速与风向角，并将其得到的对应压力/电信号数据传送到一个控制单元：

所述的控制单元，包括数据采集与控制计算机，用于实时采集所述的风速风向传感器发送的压力/电信号数据并转换成风速风向数据，并根据所述的风速风向数据来控制流动控制执行元件工作；

所述的流动控制执行元件，分布设置于舰船尾部的机库和甲板两侧，利用其风机产生不同风速风向的气流，来改善舰船尾部飞行甲板上方的流场结构。

所述的风速风向传感器，安装在机库两侧靠近机库后缘的外壁上，其探头方向垂直于外壁面。

可采用多个所述的风速风向传感器，利用安装支架分别布置在船头和机库两侧靠近机库后缘的外壁上。

所述的风速风向传感器，采用五孔/七孔探针。

所述的流动控制执行元件采用电动/油动射流吹吸气装置；所述的电动/油动射流吹吸气装置包括风机。

所述的电动/油动射流吹吸气装置安装在机库内外壁和靠近机库甲板侧栏上，其风机出口形状为矩形。

与现有技术相比，本发明包括以下优点和有益效果：

1.本发明为舰载直升机着舰提供了一种基于主动流动控制的飞行甲板流场改善方法，能够使飞行甲板上的低压分离区明显收缩，可有效减小气流的不稳定性，有效改善了飞行甲板的流场结构。

2.本发明可根据舰船的实时状态通过主动流动控制方式来减小甲板上方气流的不稳定性，从而减小舰载直升机降落的操纵难度，保证降落过程中人员和飞机的安全。

3.本发明系统结构简单，设置方便，易于操作和控制，可适用于各种不同工况。

附图说明

图1是舰载直升机着舰时受到的吸力示意图。

图2是舰载直升机着舰时受到的俯仰力矩示意图。

图3是舰载直升机着舰时受到的滚转力矩示意图。

图4是本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统的一种实施例的风速风向传感器安装位置示意图。

图5是本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统的一种实施例的电动/油动射流吹吸气装置三视图。

图6是本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统的一种实施例的电动/油动射流吹吸气装置排布位置示意图。

图7是本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统的一种实施例的系统构成框图。

图8是本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统的一种实施例的前馈控制电路图。

图9是本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统的一种实施例的系统部件位置示意图，其中，10风速风向传感器、12传感器安装支架、40机库内流道、50电动/油动射流吹吸气装置。

图10是0°和50°风向的工况-流场关系图。

图11是0°风向下，未采用本发明所述的主动流动控制方法的舰尾甲板流场速度矢量图。

图12是0°风向下，采用本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制方法的一种实施例的舰尾甲板流场速度矢量图。

图13是0°风向下，未采用本发明所述的主动流动控制方法的舰尾甲板表面压力系数等值线图。

图14是0°风向下，采用本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制方法的一种实施例的舰尾甲板表面压力系数等值线图。

图15是50°风向下，未采用本发明所述的主动流动控制方法的舰尾甲板上洗速度等值线图；

图16是50°风向下，采用本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制方法的一种实施例的舰尾甲板上洗速度等值线图。

图17是50°风向下，未采用本发明所述的主动流动控制方法的舰尾甲板表面压力系数等值线图；

图18是50°风向下，采用本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制方法的一种实施例的舰尾甲板表面压力系数等值线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是舰载直升机着舰时受到的吸力示意图。图2是舰载直升机着舰时受到的俯仰力矩示意图。图3是舰载直升机着舰时受到的滚转力矩示意图。如图所示，当飞机降落时，空气流过舰尾机库后，在甲板上方会形成复杂的涡流结构和低压区，伴有上洗、下洗和侧洗等非定常流动状态，造成直升机降落时力矩失衡，严重时将造成直升机安全事故。

本发明的一种舰尾飞行甲板流场的主动流动控制方法，其特征在于，风速风向传感器检测舰船的风速与风向角；当舰载直升机起降时，根据所述的风速与风向角，控制单元驱动流动控制执行元件产生控制气流，改变主流的流动状态，减小涡流区范围，削弱上下洗气流，改善舰船尾部飞行甲板上方的流场结构。

其中，所述的控制单元驱动流动控制执行元件产生控制气流，改变主流的流动状态，是指：利用所述的流动控制执行元件在舰船机库附近施加流动控制，通过引导气流流动来补充机库后方由于后台阶流动形成的涡流区压力；从而有效减小涡流区的范围，削弱在舰载直升机降落到甲板的过程中低压吸力和其引起的俯仰力矩的作用；并且在机库侧缘引入高能量流体和漩涡，来增强甲板两侧气流的掺混，抑制较强上洗或下洗气流的形成，减弱舰载直升机着舰时受到的滚转力矩和偏航力矩。

本发明方法可通过改变所述的流动控制执行元件的位置、朝向和转速来调节其出口气流的位置、方向和速度，来产生正反向气流。并且，可通过所述的控制单元来控制接通各位置的所述的流动控制执行元件，获得适用于不同风速风向的控制效果。

本发明方法实现步骤如下：

将变频器电源连接到船用电源和电动风机，变频器控制线连接到数据采集与控制计算机，再将风速风向传感器连接到数据采集与控制计算机，打开船用电源并启动数据采集与控制计算机；舰载机准备降落到飞行甲板前，使用数据采集与控制计算机接收风速风向传感器发送的数据，得到气流的速度与方向；打开机库内流道出入口(通常是机库侧面的鱼雷舱门和机库后面的观察窗)，根据预先标定的频率-风速对应关系表，确定气流风速对应的风机频率，使用数据采集与控制计算机设定风机转速并控制风机开启，让风机产生的风速与环境气流风速一致，使机库后方的流动结构呈现与大气来流相似的层流，减小流动不均匀性。

风机转速-风速对应的关系采用以下方法进行标定：

(1)将风速风向传感器放置在电动/油动射流吹吸气装置的出口处，将传感器和数据采集与控制计算机连接；

(2)将电动/油动射流吹吸气装置中的风机与电源和变频器连接；

(3)开启风机，调节风机转速，当风机转速一定时用风速风向传感器测量电动/油动射流吹吸气装置电机出口的风速；

(4)改变转速重复测量若干次；

(5)将所有设定的转速和测量的风速列表，就得到了风机转速-风速对应关系。

例如：

转速(rpm)风速(m/s)6005.4120011.1180016.5240022.2300027.6360033.3

图7是本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统的一种实施例的系统构成框图。如图7所示，本发明实施例系统包括：风速风向传感器，用于检测舰船的风速与风向角，并将其得到的对应压力/电信号数据传送到一个控制单元：所述的控制单元，包括数据采集与控制计算机，用于实时采集所述的风速风向传感器发送的压力/电信号数据并转换成风速风向数据，并根据所述的风速风向数据来控制流动控制执行元件工作；所述的流动控制执行元件，分布设置于舰船尾部的机库和甲板两侧，利用其风机产生不同风速风向的气流，来改善舰船尾部飞行甲板上方的流场结构。

图9是本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统的一种实施例的系统部件位置示意图，其中，10风速风向传感器、12传感器安装支架、40机库内流道、50电动/油动射流吹吸气装置、53电动风机。

图4是本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统的一种实施例的风速风向传感器安装位置示意图。如图4所示，采用多个所述的风速风向传感器，利用安装支架分别布置在船头和机库两侧靠近机库后缘的外壁上。所述的风速风向传感器，采用五孔/七孔探针。或者采用超声波测速仪、激光多普勒测速仪、风标测速仪。所安装在机库两侧的五孔/七孔探针，其探头方向垂直于外壁面。与安装在船头的五孔/七孔探针相比，机库两侧的五孔/七孔探针更能反映舰尾甲板实时的流动状况，并且能够探测舰尾来流的风速风向和压力。

图5是本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统的一种实施例的电动/油动射流吹吸气装置示意图。图6是本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统的一种实施例的电动/油动射流吹吸气装置排布位置示例图。图8是本发明舰尾飞行甲板流场的主动流动控制系统的一种实施例的前馈控制电路图。

如图5、6、8所示，所述的流动控制执行元件本发明优选采用电动/油动射流吹吸气装置；还可采用射流装置、流体振荡器、等离子体激励器等。所述的电动/油动射流吹吸气装置包括风机。其中变频器、船用电源和数据采集与控制计算机放置在船舱内部，图上未标出。

所述的电动/油动射流吹吸气装置安装在机库内外壁和靠近机库甲板侧栏上，如图5所示。为不影响舰上设施的布置，其风机出口形状为矩形或其它形状。

风速风向传感器安装在船头，或成对安装在机库两侧，与数据采集与控制计算机连接，能够实时探测气流的方向和速度；数据采集与控制计算机安装有控制软件，控制软件能够采集风速风向传感器发送的压力/电信号数据并转换成风速风向数据，根据相应的控制策略驱动电动/油动射流吹吸气装置进行控制；电动/油动射流吹吸气装置的电动风机通过船用电源供电，用变频器控制转速，安装位置在机库或甲板上，可以收纳或展开，不影响舰上设施的布置，风机出口气流位置、方向、速度可调，通过开关各位置的电动/油动射流吹吸气装置可组成不同的控制阵列，产生不同的控制气流。

如图6所示，在机库后缘两侧约80％机库宽的位置、机库后缘顶部中央和甲板两舷各安装一个电动/油动射流吹吸气装置，图中的黑色块表示电动/油动射流吹吸气装置的出口，风机出口的朝向可以是与壁面垂直，也可以沿壁面方向，电动/油动射流吹吸气装置出口的气流速度与来流一致。风速风向传感器检测船舰的气流方向和速度，若风向角为0°，打开51、52、53电动/油动射流吹吸气装置的风机，控制转速使其吹出与来流速度相同的气流，方向垂直于壁面向后；若风向为50°，打开54、55电动/油动射流吹吸气装置的风机，使54号风机向舰尾吹气，55号风机向舰首吸气。

部分气流继续向后流动，部分气流回卷入分离区形成漩涡；50°风向时气流在侧舷迎风面卷上甲板形成漩涡，并继续上洗，流过甲板后发生下洗，这种工况-流场关系通过风洞实验、数值计算和舰船流场实测获得，构成典型流场结构模型，作为不同风速风向下控制策略的依据。

在风洞实验中，模型在临界Re数以上时气流场基本形态与特征长度没有明显关联，临界Re数一般为10⁵量级，实船Re数为10⁸量级，1：100缩比的风洞模型Re数为10⁶量级，均大于10⁵，可以认为风洞模拟的气流场形态和实船相同风速风向下的气流场形态是相同的。

本发明原理验证实验中以直-9直升机和052D舰船为原型进行研究，使用的1：100旋翼直径120mm，舰船模型机库宽170mm，高60mm，舰尾甲板长200mm，对应直升机桨盘直径12m，实船机库宽20m，高6m，甲板长20m。如图11，在0°风向10m/s风速下，未采用本发明所述的方法进行主动流动控制时气流在图上约280mm的位置附近发生了再附，即：流过机库顶分离的气流在此处拍打到甲板表面，这个位置恰恰是舰载直升机起降停机坪的位置，强烈的气流剪切会对舰载直升机起降产生很大影响。

采用本发明所述的方法进行主动流动控制时，在机库两侧约80％机库宽位置施加射流控制，射流速度与风速相同约10m/s，此时再附点前移到了250mm左右，前移了约25％桨盘直径的距离，如图12，避开了舰载直升机起降的位置。观察如图13、图14所示的表面压力等值线图发现，控制后舰载直升机降落位置的表面压力系数绝对值大小与未控制时相比显著降低。

如图15、图16所示，对于50°风向的情况，在舰载直升机起降位置附近气流上洗速度经过主动流动控制减小了0.5～1m/s，相当于主流速度的5％～10％，这在舰载直升机起降过程中表现为舰载直升机旋翼受到的倾覆力矩显著减小。从图17、图18所示的表面压力系数等值线图也可看出舰载直升机起降位置的表面压力绝对值下降，并且消除了迎风面前台阶流动产生的漩涡。