孫朋朋，孫 偉，林永峰，陳金鶴

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

基于直升機(jī)安全起降條件的城區(qū)建筑流場(chǎng)分析

孫朋朋，孫 偉，林永峰，陳金鶴

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

采用數(shù)值模擬方法得到了典型城區(qū)建筑模型附近的流場(chǎng)，結(jié)合直升機(jī)安全起降條件，分析了不同風(fēng)速條件和建筑尺寸對(duì)建筑附近流場(chǎng)以及直升機(jī)城區(qū)起降的影響。結(jié)果表明，影響直升機(jī)起降的建筑附近流場(chǎng)危險(xiǎn)紊流區(qū)范圍與來(lái)流速度、建筑尺寸等參數(shù)成正比，直升機(jī)在城區(qū)選擇起降地點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量規(guī)避建筑頂部及尾流區(qū)的局部危險(xiǎn)紊流區(qū)。最后，根據(jù)城區(qū)建筑附近流場(chǎng)的特點(diǎn)為直升機(jī)在城區(qū)安全起降及飛行提出了建議。

直升機(jī)；城區(qū)起降；數(shù)值模擬；飛行軌跡

0 引言

近年來(lái)，隨著通用航空的發(fā)展，直升機(jī)在城市中的應(yīng)用越來(lái)越多。直升機(jī)能夠在空中懸停，可以在無(wú)準(zhǔn)備場(chǎng)所或樓頂狹小平臺(tái)起降，這些特點(diǎn)使得直升機(jī)特別適合在城區(qū)使用，是固定翼飛機(jī)和其它交通運(yùn)輸工具所不能替代的。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，直升機(jī)將會(huì)越來(lái)越多地用于醫(yī)療救護(hù)、安全保衛(wèi)、城區(qū)人員接送、旅游觀光、交通疏導(dǎo)與管制、高層建筑滅火等，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

然而城區(qū)起降環(huán)境較為復(fù)雜，建筑、樹(shù)木、車輛等障礙物眾多，再加上城市中局部溫度不均勻產(chǎn)生的氣流，很容易形成旋渦，倒灌風(fēng)等復(fù)雜氣流，風(fēng)向、風(fēng)速不穩(wěn)定，嚴(yán)重干擾直升機(jī)城區(qū)飛行[1]。因此直升機(jī)在城區(qū)飛行及起降時(shí)的安全問(wèn)題也同時(shí)被人們所關(guān)注，這也制約了我國(guó)民用直升機(jī)城市化的進(jìn)程[2]。因此，開(kāi)展城區(qū)建筑環(huán)境的流場(chǎng)特性研究，能夠?yàn)橹鄙龣C(jī)在城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下飛行和起降提供參考，具有重要意義。

對(duì)于城區(qū)流場(chǎng)環(huán)境的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都開(kāi)展了一系列的工作。Michael J. Brown等采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法，研究了不同建筑陣列下的流場(chǎng)特征[3]。A. Baskaran等采用數(shù)值計(jì)算方法得到建筑模型三維流場(chǎng)后，與已有風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證[4]。Mark Sutherland等采用大渦模擬計(jì)算了城區(qū)單一建筑周圍流場(chǎng)[5]。Cheng Hsin Chang等采用數(shù)值計(jì)算方法研究了不同建筑間距離對(duì)城區(qū)氣流特性的影響[6]。J. A. Peterka等對(duì)單一建筑模型尾流流場(chǎng)特征的研究進(jìn)行了論述[7]。

國(guó)內(nèi)近年來(lái)也對(duì)城區(qū)建筑環(huán)境流場(chǎng)的流動(dòng)特性進(jìn)行了相關(guān)研究，主要為計(jì)算方法的驗(yàn)證和優(yōu)化，以及流場(chǎng)流動(dòng)特性的定性研究，如馬劍[8]、陳義勝[9]、王遠(yuǎn)成[10]等，而對(duì)直升機(jī)起降環(huán)境流場(chǎng)影響的研究相對(duì)較少。

城區(qū)主要組成元素以立方柱形高層建筑為主。本文應(yīng)用CFD方法，針對(duì)典型城區(qū)建筑簡(jiǎn)化模型，通過(guò)城區(qū)環(huán)境建模、網(wǎng)格劃分以及計(jì)算求解，得出建筑尾流場(chǎng)的流動(dòng)特性。在結(jié)果驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了風(fēng)速大小、建筑模型尺寸對(duì)紊流區(qū)尺度的影響特性，為直升機(jī)城區(qū)起降時(shí)的飛行軌跡選擇提出了建議。

1 數(shù)值計(jì)算方法與驗(yàn)證

采用FLUENT流場(chǎng)計(jì)算軟件，通過(guò)求解三維雷諾平均N-S方程，對(duì)單一建筑簡(jiǎn)化模型流場(chǎng)進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算模型及坐標(biāo)如圖1所示。模型長(zhǎng)L=0.1 m，寬W=0.18 m，高H=0.36 m。計(jì)算網(wǎng)格采用粘性結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為424萬(wàn)，建筑模型附近網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，附面層網(wǎng)格最小間距小于10-4m，如圖2所示。進(jìn)行計(jì)算時(shí)，來(lái)流給定遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件，地面、建筑壁面均采用無(wú)滑移的絕熱邊界條件，粘性系數(shù)由Sutherland關(guān)系式確定，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程對(duì)流擴(kuò)散項(xiàng)進(jìn)行離散，湍流模型選用Realizable k-ε 模型。

為驗(yàn)證計(jì)算模型的有效性，在相同工況條件下，將同一建筑模型繞流流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與已有的PIV試驗(yàn)結(jié)果[2]進(jìn)行了對(duì)比。建筑背風(fēng)側(cè)的紊流區(qū)中存在反流區(qū)(分速度Ux<0)，因此不妨以尾流區(qū)流向速度Ux=0 m/s為特征速度邊界，作為對(duì)比對(duì)象。圖3給出了9 m/s來(lái)流速度下模型尾流區(qū)速度邊界(Ux=0 m/s)計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。由圖3可知計(jì)算值與試驗(yàn)值在速度邊界尺度上符合較好。

2 寬高比對(duì)尾流區(qū)紊流范圍的影響

國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果[11]表明，高樓周圍氣流紊流影響范圍最大的位置與高樓的長(zhǎng)、寬、高尺寸有關(guān)。高樓后的尾流場(chǎng)區(qū)域范圍的大小與高樓的寬度和高度比值有關(guān)。

固定模型在來(lái)流方向的長(zhǎng)度L和高度H，改變建筑寬高比W/H大小以研究其寬度和高度方向尺寸對(duì)尾流場(chǎng)邊界的影響。來(lái)流速度為9 m/s，W/H分別為2、4、6、10，風(fēng)速方向?yàn)檠豿軸正方向，垂直于模型表面。

采用與方法驗(yàn)證相同的對(duì)比方式，得出了不同寬高比下模型尾流場(chǎng)的橫向剖面(Z=0.1H)和縱向剖面(Y=0)的特征范圍，如圖4、圖5所示。由圖4可知，隨著模型寬高比增加，尾流場(chǎng)特征范圍明顯增大，即其紊流影響范圍逐漸增大。

圖5給出了在縱向剖面的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯鲭S著寬高比的增加，建筑紊流區(qū)速度邊界也明顯增大，即紊流區(qū)影響范圍與建筑模型寬高比成正比例關(guān)系。

3 風(fēng)速對(duì)尾流區(qū)紊流范圍的影響

來(lái)流風(fēng)速大小也是建筑尾流區(qū)紊流影響范圍的關(guān)鍵因素。采用同一種建筑模型，計(jì)算了在來(lái)流速度為4 m/s至18 m/s工況下的建筑尾流流場(chǎng)。圖6給出了不同來(lái)流速度的建筑模型尾流流場(chǎng)的特征速度邊界(Ux=0m/s)?？梢钥闯?，隨著風(fēng)速增加，建筑尾流區(qū)特征速度邊界逐漸增大?？梢?jiàn)，一定尺寸的建筑模型，其尾流區(qū)紊流范圍大小與來(lái)流風(fēng)速也成正比例關(guān)系。

4 流場(chǎng)特征對(duì)直升機(jī)起降的影響

直升機(jī)在紊流區(qū)起降時(shí)，不穩(wěn)定氣流直接作用在直升機(jī)槳葉上，產(chǎn)生非定常脈動(dòng)載荷，嚴(yán)重影響直升機(jī)的飛行性能和操縱特性，增大了飛行安全風(fēng)險(xiǎn)。直升機(jī)周圍氣流的湍動(dòng)能和豎直方向速度是直升機(jī)起降主要的流場(chǎng)限制條件[12]。英國(guó)CAP 437標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定直升機(jī)起飛和降落區(qū)域豎直方向速度的標(biāo)準(zhǔn)方差不能超過(guò)1.75 m/s[13]。數(shù)值模擬時(shí)采用k-ε模型，基于各項(xiàng)同性假設(shè)，則湍動(dòng)能k不大于4.59m2/s2。

圖7給出了來(lái)流速度為9 m/s條件下的湍動(dòng)能限制區(qū)域，圖中用紅色線標(biāo)出。由圖7可以看出，在該條件下湍流限制區(qū)域(湍動(dòng)能大于4.59m2/s2)主要在建筑迎風(fēng)面壁面附近、建筑頂部以及建筑尾流的局部區(qū)域，而在背風(fēng)側(cè)壁面附近湍動(dòng)能相對(duì)較小。直升機(jī)若在建筑頂部起降或者在建筑上方附近飛行時(shí)，會(huì)受到較強(qiáng)湍流的影響。為了維持直升機(jī)飛行的穩(wěn)定，飛行員飛行負(fù)荷將會(huì)增大，非常不利于飛行安全。

豎直方向氣流速度將影響直升機(jī)槳葉有效迎角。當(dāng)直升機(jī)周圍豎直方向氣流速度增大，或進(jìn)入渦流區(qū)時(shí)，直升機(jī)會(huì)受到一個(gè)方向的沖力，使直升機(jī)突然前沖或偏航，從而直接危及直升機(jī)的飛行安全。直升機(jī)安全起降的豎直方向速度一般不應(yīng)大于2.5m/s，如某用于海上鉆井平臺(tái)直升機(jī)，飛行負(fù)荷等級(jí)及評(píng)價(jià)值(HQR)為6.5時(shí)，即介于危險(xiǎn)和不危險(xiǎn)之間，氣流豎直方向分速度應(yīng)不大于2.4 m/s[13]。因此我們不妨取2.4 m/s作為限制區(qū)域的邊界。

圖8給出了來(lái)流速度為9 m/s條件下的豎直方向速度限制區(qū)域。可以看出，飛行限制區(qū)域主要是在建筑頂部前側(cè)附近和背風(fēng)側(cè)壁面附近，在距離建筑稍遠(yuǎn)的尾流區(qū)豎直方向氣流速度較小，且限制區(qū)域中豎直方向的速度為正，為上沖氣流。若在該氣流條件下選擇在建筑頂部起降，直升機(jī)飛臨建筑物上方區(qū)域時(shí)會(huì)感受到明顯的上沖力，使得機(jī)體姿態(tài)和高度發(fā)生變化。因此，飛行員應(yīng)操控直升機(jī)快速通過(guò)這一區(qū)域，同時(shí)做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。

由前文可知，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，城區(qū)建筑周圍湍流區(qū)范圍也將增大。圖9給出了來(lái)流風(fēng)速為12 m/s條件下模型附近流場(chǎng)的湍動(dòng)能分布云圖?？梢钥闯?，隨著來(lái)流風(fēng)速的增加，湍動(dòng)能的限制區(qū)域變得更大，尤其是在建筑尾流區(qū)，限制區(qū)域向尾流區(qū)上游和下游延伸。這同樣也證明了建筑尾流區(qū)紊流范圍隨風(fēng)速的增大而增大。同時(shí)，風(fēng)速增大后飛行限定區(qū)域由之前的在建筑尾流區(qū)距離地面較高的區(qū)域逐步發(fā)展到地面附近。因此，直升機(jī)在背風(fēng)側(cè)建筑附近起降是十分危險(xiǎn)的。為了避免增加飛行員的操控難度和飛行風(fēng)險(xiǎn)，直升機(jī)在尾流區(qū)時(shí)應(yīng)選擇與建筑更大距離的位置起降。

圖10為風(fēng)速為12 m/s條件下豎直方向氣流分速度的分布云圖及飛行限制區(qū)域，圖中用紅色標(biāo)記標(biāo)出。對(duì)比圖8和圖10可知，隨著來(lái)流速度的增加，建筑上方的限制區(qū)域以及背風(fēng)側(cè)壁面附近的限制都進(jìn)一步增大。此外，在建筑尾流區(qū)，氣流下洗速度也逐漸增大，形成飛行限制區(qū)。直升機(jī)進(jìn)入該區(qū)域?qū)⑹艿较孪礆饬饔绊?，出現(xiàn)突然下降或突然前沖等現(xiàn)象，對(duì)直升機(jī)城區(qū)飛行安全帶來(lái)極大的威脅。

速度等值線的疏密程度可反映出流場(chǎng)速度梯度的大小。由圖10可知，建筑附近流場(chǎng)速度梯度較大的區(qū)域主要集中在建筑頂部上方，其次為建筑背風(fēng)區(qū)域。這是由于來(lái)流在越過(guò)建筑頂部時(shí)，空間流管收縮，流動(dòng)速度迅速增加，產(chǎn)生較大的速度梯度；在氣流流過(guò)建筑后，流管又發(fā)生擴(kuò)張，速度迅速降低，繼而產(chǎn)生一個(gè)較大的負(fù)向的速度梯度。直升機(jī)旋翼周圍的氣流速度梯度過(guò)大時(shí)，會(huì)使旋翼受力不均，導(dǎo)致操控難度增大。

選取圖9和圖10中限制區(qū)域流向范圍最大的位置做橫向剖面。圖11和圖12分別給出了橫向剖面的豎直方向速度云圖和湍動(dòng)能云圖，并給出了飛行限制區(qū)域。由圖11可知，限制區(qū)域主要在背風(fēng)側(cè)建筑壁面附近以及尾流區(qū)下游局部區(qū)域，其中建筑附近限制區(qū)域因受到建筑兩側(cè)加速氣流的影響，呈現(xiàn)兩側(cè)大于中間的“馬鞍”形區(qū)域。由圖12可知，尾流區(qū)很大一部分區(qū)域均為限制區(qū)域；同樣受建筑兩側(cè)加速氣流影響，限制區(qū)域呈中間小兩側(cè)大的形狀。另外在限制區(qū)域兩側(cè)邊緣的湍動(dòng)能最強(qiáng)且變化劇烈，因此，直升機(jī)穿過(guò)湍動(dòng)能區(qū)是十分危險(xiǎn)的。

對(duì)比圖11和圖12可得，直升機(jī)起降的流場(chǎng)限定條件里，湍動(dòng)能限制區(qū)域大于豎直分速度限制區(qū)域，湍動(dòng)能為主要限定條件，且影響區(qū)域主要集中于建筑背風(fēng)側(cè)。因此直升機(jī)在規(guī)劃航線，選擇降落地點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)該影響區(qū)域。

5 結(jié)論

采用FLUENT軟件，計(jì)算并分析了城區(qū)建筑模型的紊流區(qū)域范圍與模型建筑尺寸及來(lái)流風(fēng)速的關(guān)系，并結(jié)合直升機(jī)起降限制條件分析了直升機(jī)在建筑尾流區(qū)起降的危險(xiǎn)區(qū)域。通過(guò)分析研究得到如下結(jié)論：

1)建筑尾流紊流區(qū)影響范圍隨來(lái)流風(fēng)速的增大而逐漸增大；

2)建筑尺寸對(duì)尾流紊流區(qū)影響范圍影響較大，且與建筑寬高比大小成正比；

3)直升機(jī)在建筑頂部飛行或起降時(shí)應(yīng)注意上沖氣流的影響，在建筑尾流區(qū)起降時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)湍動(dòng)能限制區(qū)域。

需要說(shuō)明的是，方柱繞流是一種鈍體繞流，尾流流場(chǎng)是非定常的。本研究采用定常狀態(tài)的平均流動(dòng)模擬非定常的瞬態(tài)流動(dòng)是為了從整體上研究流場(chǎng)環(huán)境，方便得出影響規(guī)律以及對(duì)直升機(jī)起降的影響。采用非定常方法研究建筑尾流流場(chǎng)，并耦合直升機(jī)旋翼氣流，進(jìn)而對(duì)建筑周圍氣流環(huán)境進(jìn)行定量描述將是我們下一步的工作。

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AnalysisSimulationofUrbanBuildingFlow-fieldbasedontheSafetyConditionsofHelicopterTakingOffandLanding

SUN Pengpeng, SUN Wei, LIN Yongfeng, CHEN Jinhe

(Science and Technology on Rotorcraft Aeromechanics Laboratory,China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

The flow-field of typical urban building area was obtained by numerical simulation method. Helicopter taking off and landing conditions were concerned to analyze the influence of different weather factor (wind velocity) and the size of building on the urban helicopter taking off and landing. Results showed that the dangerous range of turbulent flow area near the urban building, which had influence on helicopter taking off and landing, was basically direct ratio to the wind speed and building size. We should avoid the dangerous range of turbulent flow in the top and wake region of building when helicopter choose landing location in urban area. Finally, according to the flow feature near the urban building, some suggestion were given to the select of flight trace.

Helicopter; urban helicopter takeoff and landing; Numerical simulation; Flight trace

2017-10-10

本文由民機(jī)科研項(xiàng)目——民用直升機(jī)城區(qū)起降環(huán)境流場(chǎng)飛行特性研究資助(MJ6.1.9)。

孫朋朋(1989-)，男，山東德州人，碩士，工程師，研究方向：直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)。

1673-1220(2017)04-001-05

V211.3

A