Моделирование распространения загрязняющих веществ от двигателей самолетов на этапах взлетно-посадочного цикла и при гонке двигателей с учётом кинетической модели Турчинович Анна Олеговна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Аналитический обзор проблем, связанных с загрязнением приаэродромных территорий продуктами сгорания авиатоплива, и методов их решения 20

1.1 Влияние авиатранспорта на экологическую ситуацию аэропортов, аэродромов и прилегающих к ним территорий 20

1.1.1 Эмиссия загрязняющих веществ в зоне аэропорта 23

1.2 Методы расчета рассеивания загрязняющих веществ на территориях аэропортов, аэродромов и прилегающих территориях 28

1.2.1 Способы определения уровня пространственного загрязнения окружающей среды летательными аппаратами 37

1.2.2 Недостатки существующих методик оценки загрязнения окружающей среды и расчета платы за выбросы загрязняющих веществ в районе аэропорта 39

Выводы по главе 1 40

ГЛАВА 2. Формирование загрязнения окружающей среды приаэродромных территорий на этапах цикла «взлет посадка» 41

2.1 Особенности формирования и распространения концентраций загрязняющих веществ на выходе газотурбинной двигательной установки 41

2.2 Математическое моделирование формирования полей концентраций загрязняющих веществ от движущегося источника загрязнения в упрощенной постановке

2.2.1 Постановка задачи 42

2.2.2 Метод решения 47

2.2.3. Практическая реализация метода 48

2.3 Создание программного продукта для расчета загрязнения приаэродромных территорий в рамках численного решения уравнения диффузии и переноса 55

2.3.1 Разработка интерфейса 55

2.3.2 Графическая обработка результатов 66

2.3.3 Верификация 68

2.4 Примеры результатов 69

Выводы по главе 2 74

ГЛАВА 3. Моделирование загрязнения приаэродромных территорий на этапе «гонка двигателей» 75

3.1 Особенности двумерного моделирования этапа «гонка двигателей» 76

3.2 Моделирование истечения струи в рамках модели «воздух - воздух» 81

3.3 Моделирование истечения компонент загрязняющих веществ и их взаимодействия с воздухом 88

3.3.1 Описание кинетической модели 89

3.3.2 Расчет взаимодействия загрязняющих веществ, истекающих из сопел двигателей, с компонентами воздуха и траектории их распространения 95

3.4. Верификация 123

3.5. Исследование эффективности газоотбойников различной структуры 3.5.1 Моделирование ячеистой структуры газоотбойника 126

3.5.2 Сравнительный анализ эффективности сплошной и ячеистой структуры газоотбойника 126

Выводы по главе 3 139

ГЛАВА 4. Трехмерное моделирование истечения струй загрязняющих веществ из сопел двигателей самолета 140

4.1 Особенности трехмерного моделирования этапа эксплуатации «гонка двигателей» 140

4.2 Расчет истечения струй из сопел двигателей и их взаимодействие с воздухом

4.4 Сравнительный анализ результатов, полученных при трехмерном и двумерном моделировании 148

4.5 Исследование на сходимость трехмерных расчетов 150

4.6 Эффективность газоотбойника в зависимости от расстояния до ВС 151

4.7 Сравнение концентраций ЗВ при различных модификациях газоотбойника 153

Выводы по главе 4 160

Заключение 161

Список обозначений 164

Список литературы 165

• Эмиссия загрязняющих веществ в зоне аэропорта
• Математическое моделирование формирования полей концентраций загрязняющих веществ от движущегося источника загрязнения в упрощенной постановке
• Моделирование истечения компонент загрязняющих веществ и их взаимодействия с воздухом
• Сравнительный анализ результатов, полученных при трехмерном и двумерном моделировании

Введение к работе

Актуальность темы обусловлена необходимостью повышения точности расчетов для определения территорий санитарно-защитных зон (СЗЗ) аэропортов и аэродромов в условиях современной ситуации, характеризующейся повышением количества выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в связи с увеличением объемов грузовых и пассажирских авиаперевозок. Так, современные крупнейшие международные аэропорты способны принимать более 1000 самолетов в день. И, несмотря на постоянно ужесточающиеся требования к выбросам от авиационных двигателей, происходит значительное загрязнение приаэродромных территорий. Это неизбежно приводит к возрастанию негативного влияния ЗВ на здоровье населения. По этой причине строительство воздушных портов, как правило, осуществляется вне населенных пунктов. Однако зачастую ввиду особенностей исторического развития, географического положения и иных обстоятельств аэропорты находятся не за пределами, а внутри городов. При этом закрытие таких аэропортов чаще всего не представляется возможным и рациональным с экономической точки зрения. Поэтому для защиты населения от негативного воздействия воздушных судов (ВС) разрабатываются СЗЗ – территории с особым режимом использования, на которых нежелательна жилая застройка. Установление границ СЗЗ для аэропортов и аэродромов в общих случаях осуществляется на основании расчетов концентрации ЗВ и физического воздействия ВС на окружающую среду, на натурных измерениях и оценке риска для здоровья населения для каждого конкретного аэропорта или аэродрома¹.

В настоящее время расчеты выбросов ЗВ от двигателей ВС гражданской
авиации осуществляются по методике, разработанной Федеральным

государственным унитарным предприятием «Государственный научно-

исследовательский институт гражданской авиации», с помощью которой вычисляется масса каждого ЗВ на основании расхода топлива, времени работы

¹ Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов. – 2010. – 77 с.

двигателей на соответствующем этапе и индексов эмиссии². Таким образом, методика позволяет получить лишь количественную информацию об уровне загрязнения без учета особенностей движения ВС и погодных условий.

Существуют и другие подходы к решению проблемы моделирования
распространения примесей, представленные в работах М.Е. Берляндта,

А.О. Картышева, В.Ю. Медведева, М.Л. Асатурова, А.М. Старика,

О.Н. Фаворского, В.А. Маслова и др. Однако анализ существующих методик и подходов показывает, что в них зачастую преобладают эмпирические соотношения либо отсутствует учет особенностей движения ВС. Так, например, модель М.Е. Берляндта учитывает распространение примесей за счет механизмов диффузии и переноса ветром, но не учитывает особенностей движения и траектории ВС. В результате отмеченные недостатки могут привести или к неоправданно заниженным размерам СЗЗ, что впоследствии негативно скажется на здоровье людей, или к завышению площади СЗЗ, что является недостатком с экономической точки зрения. Поэтому для получения более подробной информации об уровне и характере загрязнения требуется разработка новых методик расчета распространения ЗВ, учитывающих особенности движения ВС, тип двигателей, погодные условия и иные характеристики, которые позволят более точно определить границы СЗЗ.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка подходов и методик для повышения достоверности расчетов уровня загрязнения территорий аэропортов, аэродромов и приаэродромных территорий и увеличения точности в установлении границ СЗЗ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) проанализировать существующие методы расчета рассеивания ЗВ от

двигателей ВС, выявить их недостатки;

² Методика расчета выбросов загрязняющих веществ двигателями воздушных судов гражданской авиации/ ФГУП ГосНИИ ГА, ЗАО ЦЭБ ГА; Картышев О. А., Медведев В. В., Запорожец А. И. – М., 2007. – 21 с.

1. разработать метод расчета рассеивания ЗВ от движущихся источников для основных этапов взлетно-посадочного цикла (ВПЦ);

2. создать на основе разработанного метода программный продукт для расчета рассеивания ЗВ от движущегося источника с базой данных отечественных авиадвигателей;

3. провести численное моделирование этапа «гонка двигателей» в двумерном и трехмерном приближении с учетом кинетической модели взаимодействия отработавшего топлива с воздухом;

4. проанализировать эффективность газоотбойника при различной структуре и при различном положении его относительно ВС.

Научная новизна определяется следующими полученными результатами:

1. разработана методика для оценки загрязнения путем численного решения задачи по расчету распространения ЗВ с помощью диффузии и переноса воздушными массами от движущихся ВС на различных этапах ВПЦ с учетом особенностей движения самолетов, типов их двигателей, погодных условий;

2. впервые проведен анализ этапа «гонка двигателей» в двумерном и трехмерном приближении в рамках численного решения уравнений Навье-Стокса с учетом кинетической модели взаимодействия компонентов отработавшего топлива с воздухом; исследованы газодинамические особенности, формирующиеся в результате взаимодействия выхлопных высокоскоростных, высокотемпературных струй с воздухом, с щитками, с самолетом и друг с другом;

3. произведены параметрические расчеты эффективности газоотбойников при различном отдалении относительно ВС и различной конструкции (сплошной и ячеистой) с учетом кинетической модели.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1) на основе разработанной методики для оценки уровня загрязнения,

полученного в результате выполнения ВС взлетно-посадочных операций, создан

программный продукт с базой данных авиационных типов двигателей, который

позволяет проводить расчеты распространения химически неактивных ЗВ от

движущихся источников и визуализировать результаты;

2. впервые проведен анализ этапа «гонка двигателей» в двумерном и трехмерном приближении в рамках численного решения уравнений Навье-Стокса с учетом кинетической модели взаимодействия компонентов отработавшего топлива с воздухом, позволяющий оценить уровень и характер распространения ЗВ с учетом их химической активности и взаимодействия с преградой;

3. проведенные расчеты концентраций ЗВ в долях предельно-допустимой концентрации (ПДК) при различных модификациях газоотбойника (сплошная и ячеистая конфигурация) и дальности его расположения относительно ВС могут быть использованы для оптимальной установки струеотклоняющего устройства.

Внедрение результатов работы

Разработанные методика для расчета распространения химически неактивных продуктов сгорания авиатоплива от движущихся ВС при выполнении ими стандартного ВПЦ и программный продукт используются:

1. в деятельности ОАО «СИБПРОЕКТНИИАВИАПРОМ» при расчете СЗЗ различных аэродромов, что позволяет повысить качество их проектирования;

2. в учебном процессе кафедры инженерных проблем экологии ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» при чтении курса лекций по дисциплине «Компьютерные технологии в области техносферной безопасности, экологии и природопользования» для магистрантов первого года обучения по направлению 280700.68 (20.04.01) «Техносферная безопасность».

Имеются два акта о внедрении результатов диссертационной работы.

Методология и методы исследований

При моделировании распространения ЗВ используется численное решение систем газодинамических уравнений.

Для расчетов распространения ЗВ при стандартном ВПЦ предполагается,

что в течение времени моделирования процесса газодинамические параметры в

атмосфере не меняются, а распространяющиеся примеси не вступают в

химические реакции с компонентами воздуха. Таким образом, система

газодинамических уравнений сводится к уравнению распространения примеси с

помощью диффузии и переноса. Сформулированное уравнение решается численно методом продольно-поперечной прогонки. Данный подход положен в основу разработанного программного продукта.

Моделирование этапа «гонка двигателей» осуществляется в рамках численного решения полной системы уравнений Навье-Стокса. Для решения данной задачи используется программный продукт Ansys Fluent, в котором происходит решение данной системы с помощью метода конечных объемов.

Достоверность результатов проведенных расчетов основывается на тестовых задачах, решение которых сопоставляется с натурными измерениями уровня загрязнения в контрольных точках рассматриваемой территории.

Предложенный в работе метод для расчета распространения ЗВ от движущихся ВС успешно опробован при установлении границ СЗЗ следующих аэродромов:

Новосибирского авиационного завода им. В.П. Чкалова,

Комсомольского-на-Амуре авиационного завода им. Ю.А. Гагарина,

Иркутского авиационного завода,

а также для аэропорта «Советский» (Ханты-Мансийский автономный округ) и др.

Основные результаты, выносимые на защиту

3. Предложена усовершенствованная модель процесса распространения ЗВ, включающая особенности движения источника.

4. Разработана программная реализация методики оценки загрязнения, включающая в себя базу данных с характеристиками авиационных двигателей различных типов.

5. Проведен анализ этапа «гонка двигателей» в двумерном и трехмерном приближении в рамках численного решения уравнений Навье-Стокса с учетом взаимодействия газодинамических струй с атмосферным воздухом, с щитками, друг с другом; оценено влияние скорости и направления ветра на струи; предложена кинетическая модель взаимодействия продуктов сгорания авиатоплива с кислородом воздуха.

4) Показана эффективность газоотбойника различной конфигурации

(сплошной и ячеистой) и при различной отдаленности его от ВС.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинаре
лаборатории физических проблем управления газодинамическими течениями и
общеинститутском семинаре «Теоретическая и прикладная механика» Института
теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, на
научном семинаре факультета летательных аппаратов ФГБОУ ВО

«Новосибирский государственный технический университет», а также на 11
международных и российских конференциях, научно-образовательных форумах и
школах-семинарах: Всероссийской научно-технической конференции «Наука.
Промышленность. Оборона» (г. Новосибирск, 2012, 2013, 2014, 2015), 6-й
Всероссийской научно-практической конференции с международным участием
«Экологические проблемы промышленных городов» (г. Саратов, 2013),
Восемнадцатой международной конференции по вычислительной механике и
современным прикладным программным системам (г. Алушта, 2013),

XXV Международной научно-практической конференции «Технические науки – от теории к практике» (г. Новосибирск, 2013), Международном научно-образовательном форуме Хэйлунцзян – Приамурье (г. Биробиджан, 2013), XII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты» (г. Новосибирск, 2014), XIV Международной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики» (г. Евпатория, 2014), XV Международной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики» (г. Евпатория, 2015).

Публикации

По результатам диссертационного исследования опубликовано 15 печатных работ, в том числе 2 научные статьи в изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,

четырех глав, заключения, списка обозначений, списка литературы и двух

приложений; содержит 184 страницы текста, два акта о внедрении результатов, 96 рисунков, 16 таблиц. Список литературы состоит из 72 источников.

Эмиссия загрязняющих веществ в зоне аэропорта

Натурные эксперименты позволяют более достоверно определить экологическую обстановку на интересующем объекте исследования. Однако, это довольно сложная и дорогостоящая процедура. Перед замерами необходимо отладить прибор, провести градуировку, проверить все системы на герметичность, настроить прибор на конкретное ЗВ, проверить систему на чистоту и т.д. Сам процесс измерения не менее трудоемок и сложен. Замеры необходимо делать на каждом из режимов тяги двигателей, при этом каждый раз необходимо дождаться установления показаний приборов; в самом процессе измерений требуется проводить проверку нулевых и градуировочных точек не менее 1 раза в час и прочее [14, 15].

Применение эмпирических моделей основывается на гауссовском распределении ЗВ с эмпирическими коэффициентами, при этом полагается, что источник загрязнения является стационарным. Полуэмпирические модели имеют более развитый математический аппарат. Это позволяет использовать их в расчетных случаях, отличающихся от экспериментальных, и учитывать, например, скорость и направление ветра. Однако в виду отсутствия учета индивидуальных особенностей рассматриваемой области и ВС результат может оказаться весьма приблизительным.

Некоторые методики в своей основе закладывают диффузионную модель распространения ЗВ, но при этом не учитывают особенности движения ВС по взлетно-посадочной полосе. Зачастую, эти методики используют аналитическое решение.

Анализ приведенных методик позволил выявить недостатки и поставить цель диссертационной работы.

Во второй главе разрабатывается метод для расчета рассеивания ЗВ, полученных в результате сгорания авиационного топлива, от движущихся ВС на этапах ВПЦ, включающего в себя этапы руление, взлет, набор высоты до 915 м, заход на посадку с высоты 915 м, посадка и руление после посадки, [16, 17]. Подход основан на описании распространения ЗВ, не вступающих в химические реакции за счет диффузии и переноса воздушными массами [18]. Соответственно в расчет включены метеорологические условия, описывающие скорость и направление ветра, преобладающие на расчетной области. На процесс рассеивания оказывают влияние облачность, время года, время суток и т.д. Все эти параметры учтены в модели. Задание функции источника загрязнения позволяет установить в любой момент времени, в любой рассматриваемой точке количество ЗВ, которое определяется интенсивностью источника и его удалением от рассматриваемой точки.

Для решения задачи используется наиболее часто применяемый для решения параболических уравнений метод – продольно-поперечной прогонки Программа разработана для каждого этапа стандартного ВПЦ и учитывает особенности и траекторию движения источника загрязнения. Так, руление характеризуется тем, что самолет движется без ускорения, со скоростью, часто сопоставимой со скоростью ветра. Взлёт самолета описывается движением с ускорением, и его скорость меняется от нуля до скорости отрыва. В дальнейшем, на этапе набора высоты самолет движется с ускорением под углом атаки, но с практически постоянной скоростью [19]. Эти особенности движения описываются с помощью уравнений движения.

Для удобства использования разработанного метода, создан программный продукт с дружественным интерфейсом, позволяющий проводить расчеты рассеивания ЗВ от движущихся источников. Программный продукт состоит, условно, из двух основных частей: общие параметры задачи, одинаковые для всех этапов движения, и настройки этапов ВПЦ.

К общим параметрам задачи относятся данные, характерные для всех этапов: погодные условия, количество источников загрязнения (двигателей); количество ячеек; размер расчетной области; ПДК основных загрязняющих веществ.

Вторая условная часть программы позволяет производить индивидуальные настройки для каждого этапа, включая характеристики самолета, такие как время движения, индексы эмиссии, скорость движение, и ВПП. В программном продукте имеется библиотека данных, которая содержит характеристики отечественных авиадвигателей с возможностью пополнения.

Результат работы представляется в виде изолиний долей ПДК для каждого рассматриваемого ЗВ, которые можно отрисовывать с использованием карты рассматриваемой местности в качестве подложки. Это дает возможность делать выводы не только об уровне загрязнения приаэродромных территорий, но и оценить воздействие ЗВ на прилегающие жилые кварталы.

Исходя из серии таких расчетов для наиболее часто повторяющихся направлений ветра, времени года и суток, основных типов самолетов, которые принимает аэропорт, могут быть даны рекомендации по установлению санитарно-защитной зоны.

Проведенная верификация результатов расчета по экспериментальным данным показывает хорошее согласование. Глава 3 посвящена расчету распространения химически активных ЗВ, полученных в результате сгорания авиатоплива на этапе эксплуатации самолетов «гонка двигателей». Данный этап не включен ИКАО в стандартный ВПЦ, однако он вносит существенный вклад в загрязнение территории аэродрома. «Гонка двигателей» предназначена для проверки работоспособности силовых установок летательного аппарата и заключается в запуске двигателей на всех режимах эксплуатации: от малого газа до максимальной тяги за строго отведенное время.

Для уменьшения негативного влияния выхлопных газов на территории, предназначенной для проверки работоспособности силовых установок летательного аппарата, устанавливают специальные струеотклоняющие устройства - газоотбойники, преграждающие распространение ЗВ [20]. Тем не менее, за общее время гонки, которое может достигать до получаса, самолет вносит существенный вклад в состояние атмосферы аэродрома. Реактивные струи, выходя из сопел двигателей, взаимодействуют друг с другом, с самолетом, с окружающей средой и, огибая преграду, распространяются на приаэродромной территории. Для анализа данного взаимодействия и характера распространения ЗВ использовалось численное решение уравнений Навье-Стокса, реализованное с помощью коммерческого пакета программ Ansys Fluent.

В качестве объекта исследования в третьей главе рассматриваются две модельные задачи: истечение отдельной осесимметричной струи продуктов сгорания авиатоплива и четырех струй в двумерной постановке, включающей самолет в плане и газоотбойник.

Математическое моделирование формирования полей концентраций загрязняющих веществ от движущегося источника загрязнения в упрощенной постановке

Рассмотрим описанный метод на примере выполнения взлетно-посадочных операций самолета Ан-12 на одном из реально существующих аэродромов.

Выберем расчетную область, исходя из анализа территорий, прилегающих к аэродрому, и из условий поставленной задачи: необходимо максимально охватить промышленную и жилую зону. На рисунке 2.3 представлена выбранная расчетная область (3774x3855 м), которую необходимо разбить на элементы для реализации метода продольно-поперечной прогонки. Количество ячеек N на которое разбивается расчетная область должно быть одно и тоже для каждого этапа. Оптимальный размер ячейки определяется в соответствии с постановкой задачи. Систему координат удобно выбрать таким образом, чтобы оси совпадали со сторонами света: ось 0Y совпадает с северным направлением, ось 0X совпадает с восточным направлением розы ветров, представленной на рисунке 2.3.

Эти данные основаны на многолетних наблюдениях метеорологических станций. Анализ данных, представленных в таблице 2.2 и расчетной области, (рисунок 2.3), показывает, что в данном случае наиболее опасными являются северное и северо-западное направление ветра, ввиду близости селитебной зоны. Несмотря на довольно большой процент повторяемости ветров для востока и юго-востока, рассматривать эти направления ветров нецелесообразно, т.к. на их пути находится промышленная зона.

Состояние атмосферы в уравнении (2.1) описывается ветром и коэффициентом турбулентной диффузии. Для его определения необходимы данные не только о погоде, но и такие параметры расчета как время года и время суток, в которое планируется принимать данный тип самолета. Коэффициент турбулентной диффузии к определяется на основании данных, представленных в таблице 1.2. Для данного расчетного случая приняты условия приема самолета в дневное время суток и летнее время года, соответственно коэффициент турбулентной диффузии к=0,5.

Приведенные настройки одинаковы для любого из этапов ВПЦ. Ввиду индивидуальных особенностей этапов ВПЦ, требуется рассмотреть каждый в отдельности, для определения уровня загрязнения.

На этапе «руление» самолет движется по территории аэродрома с места посадки пассажиров (или стоянки) до ВПП. В зависимости от аэропорта маршрут движения самолета может быть различным и составлять от нескольких минут до получаса (см. таблицу 1.1). Для рассматриваемого случая длина пути складывается из трех отрезков: L = L +L2+L3, (см. рисунок 2.4). Чтобы однозначно определить положение источника загрязнения при его движении по ВПП необходимо знать его координаты. Поэтому каждый из отрезков нужно определить в выбранной системе координат соответствующими длинами и углами.

Начальной точкой отсчета является точка начального положения источника, которая задается в виде координат по оси 0X и 0Y. Дальнейший расчет происходит по каждому узлу и основывается на данных об уровне эмиссии. Индексы эмиссии определяются для каждого типа двигателя индивидуально, т.к. процесс сгорания топлива во многом зависит от конструктивных особенностей данного типа. Также на процесс горения оказывает влияние и тяга двигателя. В таблице 2.3 приведены значения для индексов эмиссии, характерные для типа

двигателя АИ-20, установленного на самолете Ан-12, в зависимости от этапа движения (т.е. от тяги двигателя).

Для конкретного ВС существует определенное значение времени, которое характерно для каждого этапа. В таблице 2.4 представлены данные по этапам ВПЦ, относительной тяги двигателя и времени его работы для рассматриваемого самолета. Точное задание параметров однозначно определяет положение ВС и не позволяет «выйти» расчетам за границу ВПП. В соответствии с принятой у экологов практикой, оценивается суммарное количество примесей, осредненное за на 30 минут: общ=рул+3-60c 53 Расчет уровня загрязнения строится на основании результатов по каждому ЗВ для каждого из этапов. Согласно ИКАО наиболее опасными являются следующие продукты сгорания авиационного топлива: оксид углерода (СО), оксиды азота (NOx), сажа, несгоревшие углеводороды (СпНт). Для осуществления контроля над содержанием данных веществ в воздухе вводят ограничения по выбросу ЗВ, - предельно допустимые концентрации (см. таблицу 2.1). Превышение данного уровня не допустимо, т.к. это может серьезно ухудшить экологическую обстановку на территории аэродрома, аэропорта и прилегающих землях.

Данный этап характеризуется прямолинейным движением с ускорением. Начальное положение источника заранее определено, а в момент времени t положение ВС вычисляется по формуле (2.2). Скорость движения самолета на данном этапе также раскладывается на составляющие по координатным осям. Для данного этапа угол расположения ВПП соответствует углу сг3, см. рисунок 2.4. vx = vвс cos(a3), vy = vв с sin(a3), где vв с - скорость движения ВС на данном этапе.

Время движения самолета определяется в соответствии с таблицей 2.4. Длина пути разгона для самолета Ан-12 и время, необходимое для набора скорости отрыва ВС от земли не позволяют программе выполнять расчет за пределами ВПП.

Поскольку этап «взлет» характеризуется 100% тягой двигателей, индексы эмиссии ЗВ существенно отличаются от режима «руление», (таблица 2.3). В соответствии с этими данными функция источника загрязнения, определяемая уравнением (2.3), принимает иные значения.

Особенностью этапа является то что рассматривая область сменяется с привычной X0Y на X0Z ввиду движения самолета под углом атаки, авзл. В связи с этим скорость самолета определяется: vx = vв с cos(a3)cos(aвзл) vz=vв сsin(aвзл) где vв с - скорость движения ВС на данном этапе. Начальное положение источника загрязнения, как и в предыдущих случаях, известно, а для определения положения самолета в момент времени t воспользуемся уравнением (2.2).

Моделирование истечения компонент загрязняющих веществ и их взаимодействия с воздухом

Стандартный ВПЦ включает в себя этапы, обеспечивающие взлет-посадку ВС. Однако существует еще один немаловажный этап эксплуатации самолетов – «гонка двигателей». Данный процесс заключается в запуске двигателей на различных режимах в рамках строго отведенного времени для проверки работоспособности силовых установок. Процесс запуска двигателей достаточно продолжительный и при этом продукты сгорания топлива вносят существенный вклад в загрязнение территорий аэропортов, аэродромов и прилегающих к ним землям. Чтобы сократить это влияние на пути струям выхлопных газов устанавливают различные преграды – струеотклонящие устройства или газоотбойники.

Общепринятые методики [2, 3, 4, 5, 14, 15] и др. предназначенные для анализа уровня загрязнения, не рассматривают данный сложный и длительный этап. С помощью методики, разработанной в главе 2, также невозможно провести подробный анализ распространения химически активных продуктов сгорания авиатоплива и оценить их взаимодействие с газоотбойником. Поэтому для комплексной оценки уровня загрязнения территорий аэропортов и аэродромов, полученного в результате всех этапов эксплуатации ВС, «гонка двигателей» рассматривается в рамках численного решения уравнений Навье-Стокса с учетом физико-химических превращений. Такой подход позволит не только получить картину распространения ЗВ, полученных при сгорании авиатоплива, но и оценить результат их взаимодействия с кислородом воздуха

Этап эксплуатации самолета «гонка двигателей» или контрольное опробование предназначено для проверки работоспособности силовых установок летательного аппарата и связанных систем и оборудования. Данный комплекс работ выполняется на специально оборудованных площадках или на штатной стоянке летательного аппарата, снабженных струеотклоняющим устройством – газоотбойником и тормозными устройствами шасси. На рисунке 3.1 приведена примерная схема для стоянки самолета во время данного этапа. В качестве прототипа при выборе схемы была взята площадка для апробации одного из реально существующих аэродромов.

Структура газоотбойников зависит от того, какую первоочередную функцию они должны выполнять. Для защиты сотрудников аэродрома от раскаленных газов, выходящих из сопел двигателей, чаще применяют преграду в виде непроницаемой стены, чтобы затормозить высокоскоростной и высокотемпературный поток. Чтобы провести наибольшее рассеивание веществ, применяют решетчатое струеотклоняющее устройство. Сталкиваясь с преградой на своем пути, происходит торможение струй и тем самым сокращается область распространения ЗВ.

Для каждого самолета, типа двигателя, существует программа гонки, – количество секунд работы двигателя на определенном режиме тяги. На рисунке 3.3 приведен график опробования двигателей для самолета Ан-12 [59]. Рисунок 3.3 – График опробования двигателей

Запуск двигателей на всех режимах даже на непродолжительное время наносит значительный вред окружающей среде. При гонке двигателей происходит выброс ЗВ с большой скоростью и температурой вблизи уровня земли. Это приводит к повышенным концентрациям ЗВ в районе места для опробования двигателей. Также возможно образование новых соединений, за счет протекания химических реакций продуктов сгорания с компонентами воздуха. Чтобы уменьшить отрицательное воздействие, необходимо подробно рассмотреть поведение струй при столкновении с газоотбойником различных структур. При этом необходимо учесть возможные химические реакции продуктов сгорания авиатоплива с компонентами окружающей среды.

Данная задача должна описывать сложный, нестационарный процесс: высокотемпературные и высокоскоростные струи, выходя из сопел двигателей, взаимодействуют с окружающей средой, друг с другом и струеотклоняющим устройством. «Это приводит к образованию вихрей. Пространственная вихревая картина изменяется со временем, из чего следует необходимость численного решения нестационарной трехмерной задачи. … Тем не менее, оценку основных процессов, реализующихся при обтекании газоотбойников ЗВ, возможно провести с помощью двумерного приближения в плоскости симметрии двигателей» [60 стр. 439].

Рассмотрим модельную задачу об истечении четырех струй в двумерной постановке, включающей самолет Ан-12 в плане, схема которого представлена на рисунке 3.4, и газоотбойник, положение которого относительно ВС приведено на рисунке 3.1. Двигатели ВС располагаются в соответствии с данными, приведенными в Созданную двумерную расчетную область разобьем на конечные элементы, используя сеточный генератор ICEM. Разностная сетка рассматриваемой области образована из блоков. В местах, где происходит скругление поверхностей, таких как нос самолета, двигатели, на концах крыльев проведено сгущение сетки. Расчетная модель самолета Ан-12 в плане и территории для опробования двигателей представляет собой регулярную сетку из прямоугольных элементов и состоит 500 000 узлов, см. рисунок 3.5.

Фрагмент разностной сетки самолета Ан-12 и сплошного газоотбойника Таким образом, рассмотрим модельные задачи, позволяющие проанализировать взаимодействие струй с газоотбойником, возможные химические реакции, область распространения ЗВ и структуру преграды.

Рассмотрим постановку задачи в вязком приближении, описываемом с помощью уравнений Навье-Стокса [61, 62].

Данная система уравнений в Ansys Fluent может быть решена с помощью двух типов решателей density-based и pressure-based , основанные соответственно на решении уравнения для плотности и давления. Алгоритм density-based является связанным решателем. В общем виде схема подключения уравнений приведена на рисунке 3.6 [63].

Решатель density-based решает связанно уравнение неразрывности и моментов, а затем последовательно уравнение энергии, уравнения моделей турбулентности и уравнение переноса компонентов. Количество подключаемых уравнений зависит от конкретной постановки задачи [64]. Решатель может использовать явные или неявные схемы решения.

В решателе pressure-based существует два алгоритма: раздельный и связанный. В раздельном алгоритме уравнения решаются отдельно, в результате чего время расчета существенно увеличивается. Связанный алгоритм уравнения моментов и давления (из уравнения неразрывности) решаются совместно. Это позволяет сократить время расчета [63].

Для решения поставленной двумерной модельной задачи об истечении четырех струй используется связанный решатель L density-based\ который изначально создавался для решения вязких высокоскоростных потоков. В качестве схемы решения используется явная схема Roe-FDS второго порядка точности аппроксимации.

Для анализа влияния скорости и направления ветра на картину течения рассматривается истечение воздуха в окружающую среду. Для получения картин поведения струй, полагаем, что истекающий из сопел самолета газ представляет собой однокомпонентное вещество - воздух, который истекает в окружающую среду. Тип граничных условий приведен на рисунке 3.7.

Сравнительный анализ результатов, полученных при трехмерном и двумерном моделировании

Поведение частичек сажи аналогично рассмотренным случаям с рассеиванием NO и CO, однако, есть одна особенность – присутствие ЗВ за газоотбойником, в сечении №4, в случае полного сгорания топлива, см. рисунок 3.30, а. При неполном сгорании топлива за аналогичный период времени сажа за преградой практически отсутствует.

Рассмотрим поведение веществ, полученных в результате химических реакций продуктов сгорания авиатоплива с кислородом воздуха, реакции (3.1-3.2).

На рисунке 3.31 приведено распространение углекислого газа, образовавшегося в ходе взаимодействия угарного газа с компонентами атмосферного воздуха. Максимальные массовые доли CO2 при полном и неполном сгорании топлива образуются в сечении №3 – вдоль газоотбойника. Значения массовых долей на хвосте самолета велико по сравнению со значениями в сечении, расположенном в непосредственной близи от сопел двигателей. Полученные результаты позволяют судить о том, что процесс окисления происходит на всем пути распространения оксида углерода, именно поэтому наибольшие значения диоксида углерода образуется вдоль границы газоотбойного щита. Пиковые значения приходятся на границы потоков CO с воздухом. Реакция протекает достаточно активно – углекислый газ образуется и за пределами преграды. В сечении, расположенном за газоотбойником, также присутствует продукт реакции (3.1). Однако, это в большей степени справедливо для распространения углекислого газа при рассмотрении варианта с полным сгоранием топлива. При неполном сгорании топлива наблюдается значительное уменьшение массовых долей CO2 вблизи оси симметрии самолета в сечениях, расположенных на хвосте самолета и перед газоотбойником. Это объясняется наличием застойной области в данных местах, см. рисунок 3.18, г.

Количественное соотношение уровня загрязнения CO2 и NO2 в сечении №1 при полном и неполном сгорании топлива приведено на рисунке 3.33. Наибольших массовых долей диоксид углерода достигает при неполном сгорании топлива, см. рисунок 3.33, а. Наибольшие массовые концентрации угарного газа характерны также для неполного сгорания топлива, рисунок 3.25. Но в отличие от угарного газа, максимальные значения углекислого газа наблюдаются не только на срезе сопел, но и на отдалении от них вдоль сечения. Это происходит за счет химических реакций между продуктами сгорания авиатоплива и кислородом воздуха.

На рисунке 3.33, б представлено распространение диоксида азота при полном и неполном сгорании топлива в сечении №1. В отличие от картины распространения CO2 максимальные массовые концентрации NO2 образуются при полном сгорании топлива. При неполном сгорании данная величина мала. Наибольшие значения массовых долей образуются на границе потока с воздухом. Ввиду этого наблюдается наличие экстремальных значений не только в области сопел, но и вдоль выбранного сечения.

Важной отличительной особенностью между полным и неполным сгоранием топлива является ширина области распространения ЗВ. Из рисунка 3.33 видно, что при полном сгорании топлива происходит образование как CO2, так и NO2 не только на границах струй в области сопел, но и на значительном отдалении от них, чего нельзя отметить для неполного сгорания топлива.

Сравним распределение углекислого газа и диоксида азота в выбранных сечениях при максимальном и минимальном режимах запуска двигателей.

На рисунке 3.34 приведено распространение продуктов реакции выхлопных газов с кислородом воздуха в сечении, расположенном вблизи сопел двигателей, при полном и неполном сгорании топлива. Как уже отмечалось ранее, распространение NO2 и CO2 происходит вдоль всего сечения. Отметим, что при полном сгорании топлива отмечается наибольшие концентрации NO2 и минимальные CO2, при неполном сгорании наоборот.

При полном сгорании топлива (рисунок 3.35, а) отмечается наличие двух максимальных значений массовых долей диоксида азота, и углекислого газа, соответствующих границе потоков, отклоняющихся от хвоста самолета (рисунок 3.19, в). Дальнейшее уменьшение значений массовых долей характеризует застойную область между потоками. Затем вновь происходит рост содержания ЗВ за счет наличия вихревых структур. График распространения CO2 в точности повторяет график рассеивания NO2, но при меньших значениях массовых долей.

При неполном сгорании топлива, рисунок 3.35, б, такое активное распространение и образование NO2 и CO2, как при максимальном режиме тяги, отсутствует. Область рассеивания данных ЗВ существенно меньше. В отличие от полного сгорания топлива, наибольшие значения массовых долей приходятся на CO2, минимальные на NO2.

В сечении №3 при полном сгорании топлива наблюдаются активные процессы в образовании диоксидов азота и углерода вдоль газоотбойного щита (рисунок 3.36, а). На концах преграды наблюдается уменьшение уровня содержания ЗВ, а далее вновь происходит рост значений массовых долей. Это объясняется вихревыми структурами и активным протеканием реакций. Данное описание справедливо как для диоксида азота, так и для углекислого газа.

Иная картина распространения продуктов реакций (3.1-3.2) наблюдается при неполном сгорании топлива (рисунок 3.36, б). Диоксиды углерода и азота образуются только на боковой границе газоотбойника, в середине отмечается низкое содержание ЗВ. Максимальные значения углекислого газа соответствуют границам струй, приходящим от сопел двигателей. Два экстремума, расположенных ниже оси симметрии указывают на образование вихрей вдоль преграды. Распространение диоксида азота аналогично распределению угарного газа, но со значительно меньшими долями массовых концентраций.

Для неполного сгорания топлива характерно образование несгоревших углеводородов, их распространение приведено на рисунке 3.37. Поведение несгоревших углеводородов аналогично картинам распространения оксидов углерода и азота – максимальные массовые доли достигаются на срезе сопел, по мере отдаления от них происходит смешение струй и уменьшение соответствующих значений. Однако, в отличие от CO и NO, несгоревшие углеводороды наблюдаются, хоть и в незначительном количестве, за газоотбойником.