CC BY
58
_________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ
Том XXXII То 01
М3—4
УДК 551.510.42 532.525.2.011.6
ВЛИЯНИЕ ВИДА ГОРЮЧЕГО НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУЙ САМОЛЕТОВ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИХ КОМПОНЕНТОВ В ОКРЕСТНОСТИ АЭРОПОРТА
А. В. Кашеваров, Ю. Ф. Потапов, А. Л. Стасенко
На основе моделей физико-химических процессов, развитых в предшествующих работах авторов, проведены численные исследования химического состава осесимметричной струи самолета в условиях, близких ко взлетным. Проведено сравнение случаев использования традиционного керосина и экологически более благородного АСКТ (авиационного сконденсированного топлива). Исследован перенос газообразных и аэрозольных выбросов двигателей самолетов над аэродромом и в окрестности аэропорта. Рассмотрены модельные задачи диффузии в турбулентной атмосфере первоначально осесимметричных струй и спутного вихря с учетом близости земли и бокового ветра. При этом химический состав струй и массовый спектр тяжелых оседающих микрочастиц предполагаются сложившимися на более ранних стадиях процесса. Определены пространственно-временная эволюция концентраций компонентов следа и распределение плотности осевшего аэрозоля по поверхности земли.
Оценки показывают, что в общей картине неблагоприятного воздействия тепловых машин на экологию атмосферы роль авиации не превышает 1%, но в окрестности аэропортов загрязнение воздуха и почвы может быть значительным. Например, один цикл взлета-посадки самолета Як-40 по выбросу бензопирена равноценен круглосуточной работе 70 автомобилей ГАЗ-24 или 5—6 автобусов типа «Икарус» [1]. В связи с этим замена авиакеросинов другими видами топлива представляется весьма перспективной.
Например, авиационное сконденсированное топливо (АСКТ), получаемое из нефтяных газов, не содержит высокомолекулярных и ароматических углеводородов (наиболее склонных к образованию канцерогенных и мутагенных продуктов), в нем нет сернистых соединений. При его использовании сокращаются выбросы вредных веществ в атмосферу, окислов азота — примерно в 2 раза, углеводородов — в 10 раз, канцерогенов — до 100 раз; выхлопные газы не содержат сажистых частиц.
Очевидно, что при использовании водорода в качестве топлива большая часть этих преимуществ проявится еще ярче.
Есть и более прямая причина для замены существующих топлив на газоконденсатные: «Известно, что зоны территорий вблизи аэродромов как правило с течением времени превращаются в экологически неблагополучные территории в связи с постепенной утечкой в почву керосина... Под некоторыми аэродромами давно образовались огромные линзы, наполненные авиационным керосином. В ряде мест горючее, проникая в водоносные горизонты, распространялось на большие расстояния, попадая в колодцы населенных пунктов, поверхностные водотоки, озера и реки...
Ничего подобного при использовании СПГ (сжиженный природный газ) быть не может!» [2].
Таким образом, замена керосина сконденсированными горючими газами должна привести к существенному сокращению выброса вредных веществ из двигателей самолетов. Тем не менее, при использовании любого горючего над взлетно-посадочной полосой за самолетом остается струйный след выхлопных газов двигателей, содержащий различные газовые компоненты, в том числе и токсичные. Распространяясь над аэродромом, газовые выхлопы могут существенно влиять на экологическую обстановку аэропорта.
Комитет по защите окружающей среды от воздействия авиации ИКАО исследует возможность введения жестких ограничений на выбросы самолетов, которые должны быть включены в летную сертификацию летательного аппарата, в том числе на режимах набора высоты и крейсерского полета [3]. В Департаменте окружающей среды, транспорта и регионов (Великобритания) уже разработаны предварительные стандарты для режимов взлета-посадки до высоты 915 м (3000 футов). Аэропорты Цюриха и Женевы тоже вводят ограничения по выбросам (хотя и для другого набора вредных веществ). В 1999 г. Норвегия начала требовать уплаты налога на авиационные загрязнения. Возникает ситуация, когда «право на вредные выбросы» будет продаваться и покупаться.
Поэтому задача распространения выхлопных газов в районе аэропорта является весьма важной. К настоящему времени проблемам авиационной экологии уделяется большое внимание, особенно в связи с тем, что в ближайшие два десятилетия прогнозируется ускоренный рост авиации. Экология интенсивно работающего аэропорта охватывает множество физикохимических процессов, включая образование в двигателях и эволюцию в струях нежелательных газообразных компонентов, их сорбцию атмосферными частицами, аэродромной пылью или микрокаплями, возникающими при конденсации водяных паров; перенос над аэродромом компонентов струи и инертных частиц под влиянием ветра и мигрирующих спутных вихрей самолетов; выпадение самолетных выбросов на почву. Эти процессы происходят на разных временных масштабах и описываются в разных системах координат (например, если струйно-вихревой след самолета разумно описывать как стационарное течение в системе, связанной с самолетом, то его миграцию, естественно, нужно рассматривать в системе аэро-
дрома как нестационарный процесс). Кроме того, для безопасности функционирования аэропорта важна возможность визуализации спутных вихрей тяжелых лайнеров, тесно связанная с присутствием в следе микрочастиц; с этой точки зрения желательно знать, насколько точно эти инертные частицы отслеживают движения опасных вихрей.
В связи с этим представляет интерес создание алгоритмов для прогнозирования экологической ситуации аэропортов как в условиях использования современных авиационных топлив, так и при их замене на более «благородные».
1. Пространственная эволюция химически реагирующих компонентов отдельной осесимметричной струи. Эволюция струй двигателей многомоторного самолета может протекать по-разному, в зависимости от их удаления от концов крыла. Так, струи «внутренних» двигателей, расположенных у фюзеляжа, могут остаться почти не возмущенными спутными вихрями.
Расчет осесимметричной струи с химически реагирующими компонентами проводился по методике, изложенной в работе [4]. Напомним вкратце основные черты этой методики. Струя считалась изобарической, ее газо-термодинамика описывалась уравнениями типа пограничного слоя в естественных координатах х, г с привлечением к-г модели турбулентности. Разностная аппроксимация уравнений осуществлялась неявной схемой второго порядка точности. В результате аппроксимации уравнения сводились к алгебраическим системам с трехдиагональными матрицами коэффициентов, которые решались методом скалярной прогонки с итерацией коэффициентов. Интегрирование по продольной координате л: проводилось маршевым методом. Затем на фоне рассчитанных газодинамических переменных аналогичным образом решались уравнения турбулентной диффузии химических компонентов с учетом их производства и исчезновения за счет газофазных реакций. При расчете была принята кинетическая схема, приведенная в работе [5] и состоящая из 53 химических реакций. Газодинамические параметры струи и внешней атмосферы принимались соответствующими условиям полета на уровне моря самолета типа В-747. Радиус сопла принимался равным га =1 м, скорость полета иГЛ =100 м/с, скорость струи на срезе сопла иа - 300 м/с, температура воздуха атмосферы Тт - 270 К, температура струи на срезе сопла Та = 600 К.
Вид топлива учитывался заданием различной концентрации компонентов струи на срезе сопла двигателя. Состав струи при сгорании авиакеросина и топлива АСКТ представлен в таблице в виде мольных долей уа компонентов. В этой же таблице представлены мольные доли компонентов атмосферы в спутном потоке. Состав струи в таблице задавался согласно утверждению авторов работы [1], что при сгорании топлива АСКТ сокращается по сравнению с авиакеросином выброс ИОх в 2 раза (ср. строки 4 и 5) и полностью отсутствуют сернистые соединения (строки 16 и 17 таблицы). Отметим, что концентрации остальных газовых компонентов считаются неизменными, поэтому в таблице их значения не повторены.
№ Компонент- Уи керосин /АСКТ У*
1 ой 1(-5) 4,4<—14)
2 Н20 6,45(-2) 3(-3)
3 О 0 2(—16)
4 N02 4,8(-6) / 2,4(-6) 2,3(—11)
5 N0 4,3(-5) / 2,15(—5) 3(-10)
6 о2 0,159 0,209
7 03 0 2,66(-8)
8 НШ3 0 5(-11)
9 N03 0 I (—14)
10 Н 1(—7) 4(-20)
11 Н02 0 1.2(-11)
12 н2 0 5(-7)
13 Н202 0 2(—10)
14 со 2,37(-5) 1,5(-7)
15 со2 3,17(—2) 3,3(-4)
16 80 6,9(-6) / 0 • 0
17 БОз 6,9(-6) /0 3(-Ю)
18 ШОз 0 0
19 БОз 0 0
20 N,05 0 1,6(-13)
21 Н2804 0 0
22 N 0 0
23 <ХТ>) 0 1,1 (-20)
24 N,04 0 0
Разумеется, при изменении вида горючего могут измениться все значения концентраций. Рассматриваемый расчетный случай имеет целью подчеркнуть лишь влияние веществ, упомянутых в [1] и наиболее интересных с экологической точки зрения.
Результаты проведенных расчетов представлены на рис. 1, 2. Штриховыми линиями на рис. 1 показана мольная доля компонентов струи, образующихся при сгорании авиационного керосина, а сплошными — АСКТ, на рис. 2 — наоборот.
На рис. 1, а показаны распределения мольной доли некоторых компонентов вдоль осесимметричной струи (* — расстояние от среза сопла), рассчитанные на основе двумерной (20) программы (с учетом начального участка) с к-б моделью турбулентности [6]. Видно вполне понятное уменьшение содержания окислов азота ]МОх (х = 1, 2, 3) и соединений серы БОх и Н803: появление последних на оси струи связано исключительно с их присутствием в атмосфере. Уменьшается также содержание атомов кислорода и водорода, Н02 и Н202; вместе с тем концентрация гидроксила ОН возрастает.
Эти расчеты проведены до сечения струи * = 300. В этом сечении на рис 1,6 даны радиальные распределения тех же самых компонентов струи, что и на предыдущем рисунке. В частности, сплошная кривая для окисла
Рис. 1. Пространственное распределение концентраций компонентов (мольные доли) в осесимметричной турбулентной струе: а - вдоль оси, б - по радиусу
а) х/г° б)
Рис. 2. Распределения компонентов в далеких областях струи, полученные в квазиодномер-
ном приближении (<ЭШ)
802 (он отсутствует на срезе сопла) наглядно показывает, что это вещество диффундирует извне.
Далее (при л >300) расчет проводился по квазиодномерному алгоритму (010), подробно описанному в [4]. При разработке этого алгоритма учтено, что с удалением от сопла и с понижением температуры струи скорости химических реакций уменьшаются, в результате чего (как и подтвердили расчеты на предыдущем участке) радиальные распределения параметров струи определяются в основном поперечной турбулентной диффузией и становятся почти гауссовскими. Поэтому предварительно было проведено интегрирование всех уравнений по поперечным сечениям, в результате чего получена система обыкновенных дифференциальных уравнений для коэффициентов (зависящих только от х) при гауссовских распределениях. Эта редукция к одномерной задаче позволила значительно сократить время счета удаленных участков струи.
Изменение концентрации серо- и азотосодержащих компонентов в зависимости от вида топлива показано на рис. 2. Видно, что концентрация N0, Ы02 ПРИ использовании в качестве топлива АСКТ в 2—3 раза ниже, чем в случае использования керосина; пары Н2804 в струе в небольших количествах появляются, но их концентрация на три порядка меньше, чем при сжигании авиационного керосина.
Таким образом, результаты расчетов подтверждают большую экологическую приемлемость топлива АСКТ: содержание токсичных азотных соединений в струях уменьшается в 2—3 раза, а паров Н2804 — на 3 порядка.
2. Диффузия компонентов струй с учетом сносящего ветра. При
решении этой задачи будем исходить из того, что скорость движения вдоль струйного следа близка к нулю, а распространение вещества поперек струи осуществляется за счет турбулентной диффузии. В случае, когда самолеты взлетают и садятся достаточно часто, струйный след можно рассматривать как линейный источник вещества струи производительностью ц(г0, у0, /), помещенный в пространстве с координатами г0, _у0 и «работающий» время
/0, равное сумме интервалов А/, между взлетами или посадками. Производительность источника д(г0, у0, в этом случае определяется как количество вещества струи Q, выделяемое погонным метром струи на площади в2 за время А?( между взлетами и посадками д - Q{t)|(z1&ti^. Задача рассматривается на временном масштабе, значительно превосходящем времена химических реакций и фазовых превращений водяного пара (которые были учтены ранее [4]—[7]); поэтому состав струйно-вихревого следа предполагается «замороженным».
Учтем еще оседание частиц со скоростью иу0 и поперечный ветер
с постоянной скоростью иг0. В этом случае задача сводится к решению уравнения диффузии с распределенным источником для мольной доли у компонента:
ду
Э/
V
ду1 дгг
гО
ду " ду
дг
-+ь.
'у0ду+ч’
здесь V, — коэффициент турбулентной диффузии всех газовых компонентов и макрочастиц, постоянный в пространстве и времени.
Решение этого уравнения имеет следующий вид:
у (г, у,ь)=
2 ‘О
Б Г Я 4пу, |/0-г
УоБ
4 яу,/0
ехр
ехр
я,
+ ехр
к.
4у,(*0“0
4уЛ;
\ / + ехр
Л,
4у,Г(
о;
Л,
V
4у,(/0-0
Л,
ГД©
#1 =(2-Уго'-го)2 + (д'-^о'-Уо)2> = {г-и201-г0)2 + (у-
■»*)*+
+>>0) ; у0в2 — количество вещества, выделяемое в начальный момент времени погонным метром струи в окрестности точки с координатами (г0,у0) в сечении площадью б2.
Предполагается, что вертикальная составляющая скорости частицы иу0 при свободном падении быстро достигает постоянного значения, определяемого равенством силы сопротивления Стокса и веса частицы: иу0 = 2р^а2/(9ц), (р/ — плотность вещества частицы; g — ускорение силы тяжести; а — радиус частицы; ц — молекулярная вязкость воздуха).
Для примера, на рис. 3 в виде линий равной концентрации показано распределение массовой концентрации с для случая, когда самолеты взлетают или садятся с одинаковым интервалом А/ и выбрасывают равное количество газов одинакового состава при начальной массовой концентрации
Рис. 3. Пространственное распределение
массовой доли аэрозольных частиц над од- Рис. 4. Влияние ветра на пространственное ной работающей ВПП при отсутствии боко- распределение мольной доли паров серной вого сноса: кислоты:
начальное значение ер =Ю-5, высота полета начальная мольная доля уо = Ю
Н = 25,5 м
с0 = 1 (Г5 (А/ = 60 с, ^=5000 с, 1>гд = 0 м/с, V, = 1,5 м2/с). Здесь с- р/р (р — суммарная масса капель в единице объема, р — суммарная плотность смеси).
Влияние ветра на распределение концентрации некоторого компонента с начальной мольной долей у0 =10~7 показано на рис. 4 для случая Д/ = = 60 с, /0 =5000 с, Уг0 =0,5 м/с, v^ =1,5 м2/с.
Видно, что в этом случае конвекция загрязнений за счет ветра существенно превосходит скорость турбулентной диффузии струи двигателя и гравитационной седиментации макрочастиц.
3. Перенос частиц вихрем в дискретно-траекторном приближении. Струи «внешних» двигателей, расположенных вблизи концов крыльев, могут быть захвачены спутными вихрями. Несмотря на то, что механизация крыльев во взлетно-посадочном положении, как и сам фюзеляж, порождают большое количество вихрей, уже на расстоянии нескольких размаков крыла оформляется система двух спутных вихрей [7]. Вблизи поверхности земли эти вихри расходятся в противоположные стороны, так что их влияние друг на друга ослабевает. Однако движение вблизи земли даже уединенного вихря может быть довольно сложным. Например, в 1994—1995 гг. в Хитроу при помощи лазерного измерителя скорости был обнаружен неожиданный эффект — возвращение вихря почти с исходной мощностью в область глиссады примерно через 70 секунд после прохождения самолета [8]. Петлеобразное движение оси вихря над землей численно получено, например, в работе [9]. Практически полезная модель движения вихря над аэродромом предложена в [10].
Ниже численно решается модельная траєкторная задача для тяжелых частиц в поле скоростей двух вихрей (реального и мнимого), перемещающихся параллельно земле:
уг =
2п
у-Н
1 -ехр
.2 Л
+
у + Н
гг
Ьу 2 71
1-ехр
Гр
{у-Н)2 + (г-Vо*)2
4у,/
1/2
г-Ь(Л
1 - ехр
1-ехр
' 2 > ГІ,
4у,г
г, =
(>> + Я)2+(г-у0/)2
1/2
где т = 2р/а2/(9ц) — время стоксовой релаксации частицы; Г — циркуляция вихря; у., Оу — горизонтальная и вертикальная составляющие круговой скорости вихря; иг, иу — горизонтальная и вертикальная составляющие скорости частицы; и0 = Г/(4яЯ) — горизонтальная скорость перемещения вихря.
Циркуляция вихря определяется обычным образом: Г = О/(ро01/ю/), где Є — вес самолета; р^, £/„ — соответственно плотность воздуха и скорость полета; / — размах крыла самолета.
Результаты решения системы уравнений представлены на рис. 5, 6
для случая Є = 3,75-106 Н, / = 45 м, [/„0=100 м/с, рю =1,225 кг/м3,
Р/ = 103 кг/м'5, |х = 1,79-10 5 кг/м-с, V, =10 э Г,#=25,5 м.
-5
а = Юм км
60
Ч-О
20
0
у0=32м
1500 х,м
Рис. 5. Траектории частиц одного и того же радиуса (а = 10 мкм), расположенных в начальный момент по вертикали (г = 0) на . различных расстояниях от оси вихря (Н = 25,5 м)
На рис. 5 для примера показаны траектории водяных капель радиусом а-10 мкм, расположенных в начальный момент на разных расстояниях у от земли по вертикали (г0 = 0 ). Этот пример расчета иллюстрирует тот факт, что даже в отсутствие ветра частицы могут далеко переноситься только за счет бокового перемещения спутного вихря у поверхности земли.
а —15мкм
25
20
13
15
11,25
О 500
1000 1500 ъ,м
На рис. 6 представлена зависимость А«у/Аг = /(2) распределения капель разного размера по поверхности земли (nJ — число
Рис. 6. Плотность распределения частиц различных размеров по поверхности земли
капель радиуса д.). Предполагается, что в начальный момент
времени капли разного размера равномерно расположены по концентрическим окружностям на одинаковом расстоянии друг от друга с центром на оси вихря. При этом шаг разбиения по радиусу Дг = 0,5 м, по азимуту Дер = я/10 (всего 400 частиц). Разумеется, при увеличении числа фракций частиц в их массовом спектре и при учете их турбулентной диффузии в несущем потоке поверхностное распределение выпавших частиц будет более гладким.
Таким образом, проведенные исследования на модельных задачах подтверждают существенное влияние газовых струй двигателей на состав атмосферы в районе аэропорта и позволяют оценить возможное загрязнение как атмосферы аэропорта, так и поверхности земли.
Работа выполнена при финансовой поддержке Международного научно-технического центра(проект 1018).
1. Дубовкин К. Ф., Зайцев В. П., Фаворский О. Н. Экологические аспекты использования авиационного топлива из нефтяного газа//Науч. тех. конф. «Физико-химические проблемы экологии энергоустановок на углеводородных топливах».— М.: ЦИАМ.— 1995. Тезисы докладов, 1.4.
2. П о т е х и н Г. С. От криогенной авиации — к хозяйственно-техническому возрождению страны//Энергия (журнал Президиума РАН).— 1998, № 8.
3. Butterworth-Hayes P. New emission charges will impact manu-facturers//Aerospace America.— Feb. 1999.
4. Кашеваров А. В., Потапов Ю. Ф„ Стасенко A. Jl. Осесимметричная спутная струя с физико-химическими процессами//Ученые записки ЦАГИ.— 1998. Т. XXIX, № 3—4.
5. Kashevarov А. V., Potapov Yu. F., Stasenko A. L. Numerical investigation of chemically reacting jets of an airliner at low altitudes//Trudy TsAGI.—1999. Vol. 2641.
ЛИТЕРАТУРА
6. Кашеваров А. В., Стасенко A., Л. Химическая кинетика экологически опасных компонентов конденсирующейся струи высотного само-лета//Ученые записки ЦАГИ.— 1995. Т. XXVI, № 3—4.
7. Stasenko A. L., Vyshinsky V. V. Aircraft vortex wake — environmental and flight safety aspects of the problem//SAE/AIAA Paper 98-5590.— 1998.
8. Корнеева Т. Лидары. Новые возможности для атмосферных ис-следований//Электроника: наука, технология, бизнес.— 1998, № 3—4.
9. Р a k i п А. N. Application of the modified q-<s> turbulence model to simulating of two-dimensional vortex gas motion//Trudy TsAGI.— 1997. Vol. 2627.
10. Bobylev A. V., Kuzmin V. P., Yaroshevsky V. A. Mathematical simulation of the wake vortices effect on aircraft motion during automatic landing//Ibid.
Рукопись поступила 3/II2000 г.
