耦合POD重构舰面流场的直升机舰面起降数值模拟

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar252016V01．37No．3771．779ISSN1000—6893CN11·1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．Cnhkxb@buaa．edu．on耦合POD重构舰面流场的直升机舰面起降数值模拟吉洪蕾，陈仁良*，李攀南京航空航天大学航空宇航学院直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京210016摘要：为解决舰面非定常流场数据量过大的问题，采用本征正交分解(POD)方法对舰面流场进行重构，发展了一种耦合POD重构流场的直升机舰面起降数值模拟方法。首先采用计算流体力学(CFD)方法计算舰面非定常

2、流场，获得离散数据样本；然后提取流场的POD模态，并截取能够捕捉到原流场主要特征的少量模态对原流场进行重构；最后建立耦合重构舰面流场的直升机高阶飞行动力学模型。以直升机返航进场为例进行数值模拟，并将计算得到的操纵量和飞行状态与飞行试验结果进行对比。结果表明：使用POD方法重构后的舰面流场数据约为原始样本数据的8．5％，且重构流场与原始流场吻合良好，POD方法能够解决舰面非定常流场数据量过大的问题。与飞行试验数据的对比表明，本文方法捕捉到了舰面非定常流场对直升机的影响，可用于直升机舰面起降研究。关键词：直升机；非定常；舰面流场；本征正交分解；飞行动力学中图分类号：V212．4文献标识码：A文章编

3、号：1000—6893(2016)03—0771—09舰船甲板周围气流环境复杂，不仅存在尺度较大的风切变，而且存在众多小尺度的随机紊流，严重影响直升机舰面起降过程中的飞行安全，因此，直升机上舰之前必须给出舰面起降风限图。直升机与载舰动态配合试验固然能给出精准的起降风限图，但也存在风险高、耗资大和试验周期长等缺点。采用数值方法模拟直升机舰面起降过程，评估飞行员操纵负荷及操纵行程、部件过载和发动机功率等限制，不仅能够部分甚至完全取代直升机与载舰动态配合试验制作舰面起降风限图，降低试验风险和成本，缩短制作周期，还可用于直升机舰面起降轨迹优化、飞行模拟器研制等方面，因此具有很强的应用前景。自20世纪9

4、0年代以来，国内外众多研究人员通过计算流体力学(CFD)方法计算的舰面流场进行直升机舰面起降数值模拟。早期由于计算机硬件和计算技术水平的限制，对舰面流场的CFD数值模拟方法难以精确捕捉舰面回流区的范围及旋涡脱落的位置[1]，影响直升机舰面起降数值模拟的精度[2。3]。随着计算机硬件能力和计算技术水平的提升，现有的CFD能针对特定船型精确模拟舰面流场，有效捕捉舰面回流区的范围及旋涡脱落的位置H]，并通过风洞试验[53验证CFD舰面流场计算结果的合理性。在此基础上，Bun—nell[6]、Lee[7]和Forrest[81等以线性插值的方式计人舰面非定常流场对直升机的作用，将CFD舰面流场应用到直

5、升机舰面起降数值模拟中。但仍然发现舰面流场数据量庞大，面临海量数据的存储收稿日期：2015-03—31；退修日期：2015-06—09；录用日期：2015．09．14：网络出版时间：2015．09．2510：47网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V20150925．1047．002．htmI基金项目：国家自然科学基金(51405227)；中央高校基本科研业务费专项资金(NS2014011)*通讯作者．Tel：025—84892141E-mail：crlae@nuaa．edu．cn爨用穆武I吉洪营，睬仁蘸，李攀．鹈台POD重梅规面漉场的直升枧舰砸起降

6、数值模拟．航空学报．2016．37(3)：771．779．JIHL，OHENRL，LIP．NumericalsimulationofahelicopteroperatinginareconstructedshioairwakebasedOnPODmethod[Jj．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(3)；77I一779．航空学报Mar。252016V01．37No．3问题，直接制约直升机舰面起降数值模拟能力的提升。Rajmohan等凹1基于CFD数值模拟结果，采用本征正交分解(ProperOrthogonalDecom—position，P

7、OD)方法对舰面流场进行重构，显著减小了舰面流场的存储空间和计算量，在此基础上，研究孤立旋翼在舰面上方悬停时旋翼流场与舰面流场的相互影响。但并没有建立POD重构流场与直升机飞行动力学模型随时间和空间变化的动态耦合方法，也没有用于直升机舰面起降的数值模拟中。为解决直升机舰面起降数值模拟时面临的舰面流场数据量过大问题，本文采用本征正交分解方法对舰面流场进行重构，以提高直升机舰面起降计算分析的效率，同时