CC BY
43
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ОТ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ НА ЭТАПЕ
ГОНКА ДВИГАТЕЛЕЙ
Голубева Анна Олеговна
аспирант, Новосибирского государственного технического университета,
г. Новосибирск, E-mail: golubevaa@ngs. ru
SIMULATION OF DISTRIBUTION OF POLLUTANTS FROM AIRCRAFT
AT THE STAGE THE RACE ENGINES
Golubeva Anna
the graduate student, Novosibirsk state technical university, Novosibirsk.
АННОТАЦИЯ
В работе рассмотрен этап эксплуатации воздушных судов — гонка двигателей. Проведен расчет уровня загрязнения, полученного в результате данного этапа, на основе численного решения уравнения, описывающего распространение примесей за счет диффузии и переноса воздушным массами. Для анализа механизма взаимодействия струй и влияния на них ветра предложен подход на основе использования коммерческих пакетов программ.
ABSTRACT
We consider a stage operation of the aircraft - the race engines. The calculation of the level of pollution that results from this phase, based on the numerical solution of equations describing the propagation of impurities due to the diffusion and transport of air masses. To analyze the mechanism of interaction between the jets and the impact on them of the wind an approach based on the use of commercial software packages.
Ключевые слова: воздушные суда; двигатели; эмиссия загрязняющих веществ; струя; математическое моделирование; уровень загрязнения; гонка двигателей;
Keywords: aircraft; engines; the emission of pollutants; jet; mathematical modeling; the level of pollution; the race engines.
За последние десятилетия резко возросло участие воздушных судов в пассажиро- и грузоперевозках. Это неизбежно ведет к увеличению мирового авиационного парка и, как следствие, к дополнительному вниманию со стороны экологических служб.
В первую очередь возникает вопрос об определении уровня загрязнения, полученного в результате сгорания авиационного топлива на территориях аэропортов, аэродромов и прилегающих к ним территориях. Международная организация гражданской авиации (ИКАО) ограничивает выброс следующих основных загрязняющих веществ: оксидов углерода (COх), оксидов азота (NOx), сажи (№), несгоревших углеводородов (CnHm) [4]. Именно ограничения концентрации определяют границу, безопасную для проживания людей или иначе размер санитарно-защитной зоны (СЗЗ). В Санитарно -эпидемиологических правилах и нормативах отмечается, что территория СЗЗ устанавливается в каждом конкретном случае на основании расчетов [7]. Существуют различные методы мониторинга и анализа степени загрязнения атмосферного воздуха, полученного в результате сгорания авиационного топлива.
Общепризнанной и используемой методикой является разработанная ФГУП «Государственный научно -исследовательский институт гражданской авиации» ЗАО «Центр экологической безопасности гражданской авиации» [6]. Она основана на использовании индексов эмиссии, — отношение количества граммов загрязняющего вещества на килограмм сгоревшего топлива. Однако в расчете используются полуэмпирические соотношения и не учитывается ряд факторов, таких как: движение воздушного судна по взлетно-посадочной полосе (ВПП), метеорологические условия, преобладающие на территории конкретного аэропорта или аэродрома.
Степень загрязнения прилагающих к аэродромам и аэропортам территорий может быть так же оценена на основании экспериментальных исследований с последующим расчетом индексов эмиссии по полуэмпирическим соотношениям согласно методике Министерства транспорта России [5]. В этом
случае более точно определяется количество загрязняющих веществ в конкретном месте, в определенное время суток, но не отражается картина изменения концентрации на разных этапах взлетно -посадочного цикла, когда их разовые значения могут быть максимальными. При данном подходе также не отслеживается траектория движения самолета по аэродрому, скорость и направление ветра [1]. Полученный результат предстает в количественном виде, без информации о распространении шлейфа загрязняющих веществ на территории аэродрома и прилегающих к нему территориях, так же не учитывается взаимодействие реактивных струй с атмосферным воздухом.
Методика, предложенная О.А. Картышевым и Ю.В. Медведевым [3] позволяет рассмотреть весь цикл рассеивания загрязняющих веществ «от выброса посредством реактивной струи двигателя ВС [воздушного судна] до рассеивания образовавшегося облака ЗВ в атмосфере» [3, с. 72]. Однако, использованная в работе модель, вызывает серьезные вопросы.
В работе [2] приведено численное моделирование в двумерной постановке рассеивания в приземном слое атмосферы загрязняющих веществ от движущегося воздушного судна на различных этапах взлетно-посадочного цикла.
ИКАО выделяет следующие этапы: руление, взлет, набор высоты до 900 м, заход на посадку с 900 м, посадка, руление после посадки. Но существует еще один немало важный этап эксплуатации самолета, — гонка двигателей — проверка работоспособности силовых установок летательного аппарата. На данном этапе двигатели попеременно работают на всех режимах от малого газа до максимальной тяги. Время работы на соответствующих режимах строго фиксировано. Площадки, на которых происходит гонка двигателей, оборудованы специальными газоотбойниками, что является преградой для реактивной струи и, соответственно, загрязняющих веществ.
В качестве примера, рассмотрим расчет, по представленной в работе [2] математической модели распространения загрязнений от этапа гонка двигателей самолета Ан-12. В данной работе проводится численное решение
уравнения, записанного для массовых или объемных концентраций загрязнения, которое описывает процесс распространения примеси за счет переноса воздушными массами и диффузией. Уравнение так же включает в себя источниковый член. Перемещение источника загрязнения описывается уравнениями движения. В качестве метода численного решения используется метод продольно -поперечной прогонки.
В таблице 1 приведены характеристики двигателя самолета Ан-12.
Таблица 1.
Характеристики двигателя
Тип двигателя Количество двигателей Скорость истечения выхлопных газов на срезе сопла, км/ч Расстояние между двигателями, мм Диаметр среза сопла двигателя, мм
АИ-222-25 4 850 4500 450
В таблице 2 представлены индексы эмиссии для различных режимов двигателя.
Таблица 2.
Индексы эмиссии для различных режимов двигателя АИ-222-25
Индексы эмиссии, [г/кг]
Этап Оксиды углерода СОх Углеводороды СпНт Оксиды азота N0,, N8 (сажа)
Максимальный режим 2,35 0 11,75 0,270
0,6 М 3,7 0 7,6 0,185
0,3 М 12,0 0 5,7 0,145
Крейсерский режим 7,7 0 6,6 0,154
Малый газ 77,3 12,2 2,04 0,104
График гонки приведен на рисунке 1.
Рисунок 1. График гонки двигателя
В результате расчета получены изолинии распределения суммарной концентрации примеси СхНу при гонке двигателей в горизонтальной расчетной области на уровне 2 м от земли при северном направлении ветра, рисунок 2.
Однако, при данном упрощенном подходе невозможно увидеть как струя, истекая из сопла при различных режимах работы двигателя, реагирует с газоотбойниками, какое влияние на нее оказывает ветер. И так как самолет, как правило, оснащен несколькими двигателями, возникает вопрос о взаимодействии струй друг с другом.
Рисунок 2. Изолинии распределения суммарной концентрации примеси СхНу при гонке двигателей в горизонтальной расчетной области на уровне 2 м от земли при северном направлении ветра
Для решения задачи обратимся к современным вычислительным комплексам, которые позволяют наглядно воссоздать модель струи и увидеть процессы, происходящие в ней. Одним из широко используемых программных продуктов является ANSYS Fluent. Это мощнейший программный комплекс, позволяющий моделировать течение жидкости и газов с учетом турбулентности, теплообмена и химических реакций. Интеграция ANSYS Fluent в среду Workbench позволяет осуществлять двустороннюю связь с CAD-системами. Это позволяет в процессе расчета детализировать и оптимизировать модель [1].
В основе решения заложены уравнения Навье-Стокса [8]:
— = -(u-S7)v + vA o- — Vp + f 8t p
V-L> = 0
где: V— оператор Гамильтона; A — оператор Лапласа; t — время;
и — коэффициент кинематической вязкости; р — плотность; p — давление;
v = (ul,...,uп) — векторное поле скоростей; f — векторное поле массовых сил.
В качестве первого приближения рассмотрим истечение выхлопных газов из сопел самолета Ан-12, на основе модели, представляющей собой плоскость с имитацией четырех двигателей самолета, расположенных в соответствии с данными, приведенными в таблице 1, рисунок 3.
Ansys Workbench представляет собой конечно -элементный программный продукт и для получения результата необходимо созданную расчетную область разбить на конечные элементы, — создать сетку, рисунок 3.
5,000 15,000
Рисунок 3. Конечно-элементная модель 4-х двигателей
Существуют различные модели для расчета турбулентных течений, которые преобразуют систему уравнений (1). При решении поставленной задачи примем тип модели турбулентности k-s. В этой модели уравнения движения преобразуется к виду, в котором добавлено влияние флуктуации средней скорости (в виде турбулентной кинетической энергии) и процесса уменьшения этой флуктуации за счёт вязкости (диссипации) и решается два дополнительных уравнения для транспорта кинетической энергии турбулентности и транспорта диссипации турбулентности. В качестве модели используем «species transport». При расчете используется уравнение энергии.
Граничными условиями на срезе сопла выступает скорость истечения струи, в соответствии с данными, приведенными в таблице 1, на остальных границах расчетной области используются «мягкие» граничные условия.
Полученное первое приближение, рисунок 4, позволяет в дальнейшем детализировать задачу о распространении загрязняющих веществ при режиме гонка двигателей. Усложняя задачу, могут быть поучены рекомендации по установке щитков и получение более качественной картины уровня загрязнения при данном этапе эксплуатации воздушных судов.
Рисунок 4. Распределение скорости на срезе сопел
Список литературы:
1. Голубева А.О. Использование упрощенной модели для оценки рассеивания выбросов от воздушных судов // Материалы XVIII международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Алушта, 22—31 мая 2013 г.). — МАИ, — 2013. — С. 717—719.
2. Голубева А.О., Коротаева Т.А., Ларичкин В.В. Математическое моделирование рассеивания выбросов от воздушных судов на приаэродромных территориях // Экологические проблемы промышленных городов: сборник научных трудов по материалам 6-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, часть 1. Саратов, 2013. — С. 169—172.
3. Картышев О.А., Медведев Ю.В. Расчет концентраций загрязняющих веществ от передвижных и стационарных источников аэропортового комплекса// Авиационный экологический вестник. М., 2009. — С. 71—76.
4. Международные стандарты и рекомендуемая практика. Приложение 16 ИКАО, т. 2 «Эмиссия авиационных двигателей». 2008. — 118 с.
5. Методика контроля загрязнения атмосферного воздуха в окрестностях аэропорта. Минтранс Росии ГосНИИ ГА. М., 1992. — 39 с.
6. Методика расчета выбросов загрязняющих веществ двигателями воздушных судов гражданской авиации. ФГУП ГосНИИ ГА, ЗАО ЦЭБ ГА. М., 2007. — 21 с.
7. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов. 2010. — 77 с.
8. Темам Р. Уравнения Навье-Стокса. Теория и численный анализ. — 2-е изд. / Р. Темам. М.: Мир, 1981. — 408 с.
