Моделирование распространения загрязняющих веществ от двигателей самолетов на этапах взлетно-посадочного цикла и при гонке двигателей с учётом кинетической модели тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, кандидат наук Турчинович Анна Олеговна

• Турчинович Анна Олеговна
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Турчинович Анна Олеговна

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

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..................................................................................................................42

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.......125

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...................................................................................................................142

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

ПРИЛОЖЕНИЕ А.......................................................................................................174

ПРИЛОЖЕНИЕ Б........................................................................................................176

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование распространения загрязняющих веществ от двигателей самолетов на этапах взлетно-посадочного цикла и при гонке двигателей с учётом кинетической модели»

Актуальность темы

Актуальность темы исследования обусловлена необходимостью повышения точности расчетов для определения территорий санитарно-защитных зон (СЗЗ) аэропортов 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, нежелательные для жилой застройки. Это требование относится ко всем аэропортам, в том числе к небольшим межрегиональным воздушным портам. Установление границ СЗЗ для аэропортов и аэродромов в общем случае осуществляется на основании расчетов концентрации ЗВ и физического воздействия ВС на окружающую среду, на натурных измерениях и оценки риска для здоровья населения для конкретного аэропорта или аэродрома [1].

В Российской Федерации авиационная деятельность контролируется следующими организациями: Федеральным агентством воздушного транспорта (Росавиация), Федеральным государственным унитарным предприятием "Государственная корпорация по организации воздушного движения в Российской Федерации", Федеральным государственным унитарным предприятием «Центр аэронавигационной информации», Федеральным государственным унитарным предприятием «Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации» и ЗАО «Центр экологической безопасности гражданской авиации», Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор) и Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Роспотребнадзор). Данные организации обеспечивают безопасность воздушного транспорта, в том числе и ее экологическую составляющую.

В настоящее время расчеты выбросов ЗВ от двигателей воздушных судов гражданской авиации осуществляются по методике, разработанной федеральным государственным унитарным предприятием Государственным научно-исследовательским институтом гражданской авиации, с помощью которой вычисляется масса каждого ЗВ на основании расхода топлива, времени работы на соответствующем этапе и индексов эмиссии [2]. Таким образом, методика позволяет получить лишь количественную информацию об уровне загрязнения без учета особенностей погодных условий и движения ВС. Поэтому требуется разработка новых методик расчета распространения ЗВ, учитывающих особенности движения ВС, их типы, погодные условия, и иные особенности, которые позволят определить СЗЗ более точно.

Степень разработанности темы исследования

Разработке различных методик для оценки загрязнения территорий аэропортов и аэродромов продуктами сгорания авиационного топлива посвящены многие работы как отечественных ученых: М.Е. Берляндта [3], А.О. Картышева, В.Ю. Медведева [4], М.Л. Асатурова [5], А.М. Старика, О.Н. Фаворского [6], В.А. Маслова [7], И.С. Родюкова [8, 9], В.Ф. Лазукина [8], Е.Г. Спиридонова [10] и др., так и иностранных коллег: Роджера Вэйсона, Грэга Флэминга, Ральфа Иовинелли [11], Рикардо Делауретиса, Панаджиота Дилара и Леонидаса Нциачристо [12], Барретта М [13].

Однако анализ методик и подходов показывает, что в них часто преобладают эмпирические соотношения, либо отсутствует учет особенностей движения ВС. Так, например, модель М.Е. Берляндта описывает 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 и негативно сказаться 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, типов двигателей, погодные условия, и иные характеристики, которые позволят определить СЗЗ более точно.

Цели 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:

• проанализировать существующие методы расчета рассеивания ЗВ от двигателей ВС, выявить их недостатки;

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

• создать по разработанному методу программный продукт для расчета рассеивания ЗВ от движущегося источника с базой данных отечественных авиадвигателей;

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

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

В работе предпринята попытка моделирования распространения ЗВ от двигателей ВС на территориях аэропортов, аэродромов и прилегающих к ним областей при выполнении взлетно-посадочных операций и при опробовании силовых установок. Для расчетов распространения ЗВ от ВПЦ предлагается модель, учитывающая рассеивание газов за счет диффузии и переноса воздушными массами. При этом считается, что компоненты примеси не вступают в химические реакции с воздухом. Расчеты производятся для каждого этапа ВПЦ с учетом скорости и направления движения источника загрязнения (самолета) по взлетно-посадочной полосе (ВПП). Также в связи с тем, что уровень и характер загрязнения определяется не только самим ВС, но и окружающей средой: скоростью и направлением ветра, среднесуточной температурой, облачностью и т.д., предлагаемый в работе подход позволяет учитывать все названные факторы. Для решения уравнения используется метод продольно-поперечной прогонки.

Реализация данного метода осуществляется с помощью разработанных программ, позволяющих определять количество ЗВ на различных этапах ВПЦ. Для удобства применения метода расчета рассеивания ЗВ был создан программный продукт, включающий в себя базу данных типов авиационных двигателей и их характеристик, с помощью которого можно оперативно проводить расчеты уровня загрязнения от этапов стандартного ВПЦ. Наличие библиотеки данных, позволяет значительно сокращать трудозатраты пользователей при решении задач. Программный продукт предусматривает возможность визуализировать полученный результат путем нанесения изолиний, отображающих отношение концентраций ЗВ к ПДК на карту расчетной области. Данная опция позволяет устанавливать область, подвергающуюся наибольшему воздействию от эксплуатации ВС.

Разработанная программа является новым удобным инструментом с дружественным интерфейсом для инженеров-экологов для расчетов рассеивания ЗВ от движущихся источников загрязнения.

Однако при эксплуатации самолетов существует еще один этап, не отнесенный к этапам ВПЦ, оказывающий заметное влияние на экологическое состояние территорий аэропортов или аэродромов - опробование силовых установок, или гонка двигателей, который представляет собой достаточно продолжительный процесс работы двигателей самолетов на различных режимах тяги. При этом само ВС остается неподвижным, соответственно, все выхлопные газы распространяются на прилегающей к месту испытаний территории. Гонка двигателей осуществляется на специальной площадке, оборудованной струеотклонящим устройством (газоотбойником) - преградой, устанавливаемой на пути высокоскоростных и высокотемпературных струй в целях защиты территории от негативного влияния продуктов сгорания авиационного топлива.

В работе предлагается рассмотрение гонки двигателей в рамках численного решения уравнений Навье-Стокса; проводится анализ взаимодействия выхлопных струй друг с другом, с самолетом, с окружающим воздухом и со струеотклоняющим устройством. Анализ различных структур газоотбойных

щитов и их удаленности от сопел двигателей позволяет оценить эффективность газоотбойника. Кинетическая модель взаимодействия компонентов отработанного топлива с воздухом, предлагаемая в работе, позволяет описать основные химические превращения продуктов сгорания авиатоплива при взаимодействии с воздухом. Использование при решении задачи трехмерной модели дает возможность детально оценить характер распространения ЗВ, в том числе за счет образования вихревых структур, проанализировать поведение высокоскоростных и высокотемпературных струй, а также сделать вывод об эффективности установленных щитков. Полученные результаты обусловливают возможность выбора оптимальной структуры преграды, наиболее эффективного ее расположения на пути потоков выхлопных газов и, как следствие, уменьшения распространения ЗВ.

Инструментом решения поставленной задачи при анализе гонки двигателей является коммерческий программный модуль Ansys Fluent.

Научная новизна

Научная новизна исследования определяется полученными результатами:

- 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;

- 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, щитками, самолетом и друг с другом;

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

Практическая значимость работы

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 расчет распространения химически неактивных ЗВ от движущихся источников и визуализировать результат;

2) впервые проведенный 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 позволяет оценить уровень и характер распространения ЗВ с учетом их химической активности и взаимодействием с преградой;

3) проведенные расчеты концентраций ЗВ в долях 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 использованы:

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

2) в учебном процессе кафедры «Инженерных проблем экологии» НГТУ 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.

Имеется два акта о внедрении результатов диссертационной работы (приложение А).

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. 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 реализован в виде 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.

Основные результаты, выносимые на защиту

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

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

3) 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, 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.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность результатов проведенных расчетов основывается на тестовых задачах, решение которых сопоставлялось 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,

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

- Иркутского авиационного завода,

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

и др.

Содержание работы

Во введении представлена общая характеристика диссертационной работы, сформулированы актуальность и цели исследования, отражены научная и практическая значимость полученных результатов, а также кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе изложены нормативно-правовое обоснование необходимости наличия СЗЗ у объектов, принимающих ВС, а также основные методы расчета рассеивания ЗВ на территории аэропортов, аэродромов и прилегающим к ним землям. Среди рассмотренных методов можно выделить основные группы: натурные эксперименты, эмпирические, полуэмпирические и упрощенные модели описания физических процессов.

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.

Нестационарная задача решается с использованием следующих настроек решателя:

- тип решателя 'density-based';

- модель турбулентности SST k-rn;

- явная схема решения второго порядка точности аппроксимации;

- граничные условия на срезе сопел - условия массового расхода, на границах области - в зависимости от рассматриваемой задачи, на твердых поверхностях - условия прилипания.

Расчеты проводятся с учетом возможных химических превращений при взаимодействии с воздухом для наиболее опасных веществ, выделяемых ИКАО.

Расчет концентраций ЗВ сводится к анализу двух режимов работы двигателей, наиболее неблагоприятных для окружающей среды - режимы максимальной и минимальной тяги, приводящие, соответственно, к полному и неполному сгоранию авиатоплива. При этом среди возможного перечня ЗВ, полученных в результате сгорания авиатоплива, рассматриваются только ИОх, СО, СпНт, сажа, как вещества, уровень выброса которых контролирует ИКАО. В связи с этим полагаем, что возможно взаимодействие N0, СО с кислородом воздуха и окисление монооксидов до диоксидов. Для анализа области распространения и количественных значений ЗВ, полученных в результате сгорания авиационного топлива и его окисления на воздухе, использовалась опция активации химических реакций. Данная возможность позволяет реализовать предложенную кинетическую модель.

Результаты расчета показывают количественную и качественную картину распространения ЗВ, полученных в процессе гонки двигателей, и результат их окисления в воздухе.

Для анализа динамической картины течения рассматривалось истечение воздуха из сопел двигателей в окружающую среду. Исследование показывает, что струи активно взаимодействую как между собой, так и с элементами самолета. При этом скорость потока значительно снижается, а достигая газоотбойника, струи практически полностью тормозятся и частично огибают преграду. В результате взаимодействия струй с препятствиями активно образуются вихри. При этом влияние скорости и направления ветра на струи проявляется только в области сопоставимых скоростей.

С целью верификации предложенной модели проведен расчет осесимметричной струи продуктов сгорания, истекающих в спутный поток, скорость которого 6 м/с. Результат расчета сравнивался с экспериментальными данными по распределению ИОх и СО вдоль оси струи двигателя. Проведенное сравнение показывает хорошее согласование результатов.

Для исследования эффективности различных конфигураций газоотбойника в главе представлен результат расчета обтекания ячеистой конструкции щита. Отмечаются меньшие массовые доли оксидов углерода и азота во всех сечениях, расположенных на различном отдалении от сопел двигателей, и активное образование диоксидов в непосредственной близости от сопел, далее этот уровень сохраняется на относительно постоянным.

Глава 4 посвящена трехмерному моделированию рассматриваемого процесса: самолет располагается на площадке для опробования силовых установок и запускает двигатели на максимальном режиме. Постановка задачи совпадает с приведенной в третьей главе. Настройки решателя используются аналогичные. Схема решения - нестационарная, неявная. Результат расчета показывает, что происходит взаимодействие струй друг с другом в районе хвостового оперения и единственной преградой на их пути является газоотбойник. Сталкиваясь с которым часть ЗВ перетекают через верх, часть огибают по краям, а часть остается в пределах области для опробования силовых установок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Турчинович Анна Олеговна, 2016 год

// хз

h = data.y / data.MeshY, hi = 1.0, delg = 1.0; // расчетный шаг по времени delg = delg / h * 20.0;

cos(data.windUgol * grad), sin(data.windUgol * grad),

// время проверки веществ в воздухе "время этапа" + "30 минут" double tR = rulData.time + 30.0 * 60.0, // комплекс гамма

tKH = delg * data.Ak * 0.5 / (hi * hi) / 20.0, // число итераций double nG = tR / delg; // Расчет int iKS = 0;

for(int nEM = 0; nEM < 4; nEM++){

for(int j = 1; j <= data.MeshX; j++){

double w = (j - 1.0) / (data.MeshX - 1.0); for(int i = 1; i <= data.MeshX; i++){

double v = (i - 1.0) / (data.MeshX - 1.0); dY[j][i] = 0.0 * (1.0 - v) + data.y * v; dX[j][i] = 0.0 * (1.0 - w) + data.x * w;

}

}

// индекс эмиссии double qX0 = 0.0, // ПДК по веществу pDK = 0.0, // Общий выброс из qX = 0.0;

всех двигателей

// для расчета iKS = 0;

QString emString, emOutDataString; if(nEM == 0){ // вещество NOx

qX0 = emData.NOx; pDK = data.NOx; emString = "NO"; }else if(nEM == 3){ // вещество COx

qX0 = emData.COx; pDK = data.COx; emString = "CO"; }else if(nEM == 2){ // вещество CnHm

qX0 = emData.CnHm; pDK = data.CnHm; emString = "CH"; }else if(nEM == 1){ // вещество NS

qX0 = emData.NS; pDK = data.NS; emString = "NS";

}

pDK * = 0.001;

qX = qX0 * data.Nengine * rulData.power;

for(int i = 0; i <= data.MeshX; i++){

for(int j = 0; j <= data.MeshX; j++){ sumA[i][j] = 0.0; dU[i][j] = 0.0;

}

}

int u0, N, M;

u0 = (sourceData.x0 - 0) / (data.x - 0); N = u0 * data.MeshX;

u0 = (sourceData.y0 - 0) / (data.y - 0); M = u0 * data.MeshX; dU[N][M] = qX; dF[N][M] = qX;

double x = sourceData.x0, y = sourceData.y0; for(int iG = 1; iG <= nG; iG++){

double t1 = (iG - 1.0) / (nG - 1.0) double vSourceX1, vSourceY1, tHX;

iKS++;

double tT = tR * t1; if(tT <= rulData.time){ tHX = tT / iG; double ugolNeed = 0.0; int tM = 0;

for(unsigned int i = 0; i < sourceDataList.size(); i++){ if(tT >= tM && tT < (tM + sourceDataList[i].time)){ ugolNeed = sourceDataList[i].ugol; break;

tM += sourceDataList[i].time;

}

vSourceX1 = vSourceX * cos(ugolNeed * grad); vSourceY1 = vSourceY * sin(ugolNeed * grad); }else{

tHX = 0.0; qX = 0.0; vSourceX1 = 0.0; vSourceY1 = 0.0;

}

y = y + vSourceY1 * tHX; x = x + vSourceX1 * tHX;

for(int i = 1; i <= data.MeshX; i++){

for(int j = 1; j <= data.MeshX; j++){

dL[i][j] = sqrt((dX[i][j] - x) * (dX[i][j] - x) + (dY[i][j] -y) * (dY[i][j] - y));

if(dL[i][j] < h)

dF[i][j] = qX * exp(-dL[i][j] / (data.Ak * h));

else

dF[i][j] = 0.0; if(x > data.x)

dF[i][j] = 0.0; if(y > data.y)

dF[i][j] = 0.0;

}

}

// ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕШЕНИЯ В ПРОДОЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ // Определение коэффициентов канонической формы a,b,c,dD double b = 2.0 * tKH + 1.0, a = tKH, c = tKH;

for(int n = 1; n < data.MeshX; n++){

for(int m = 1; m < data.MeshX; m++){

dD[n][m] = dU[n][m] * (-1.0 + 2.0 * tKH) -

tKH * (dU[n + 1][m] + dU[n - 1][m]) + dF[n][m] * delg;

}

// Определение коэффициентов прямого хода прогонки

for(int m = 1; m <= data.MeshX; m++){

alf[n][m] = c / (b - a * alf[n][m - 1]);

bet[n][m] = (a * bet[n][m - 1] - dD[n][m - 1]) / (b - a *

alf[n][m - 1]);

}

}

// Задание граничных условий

for(int n = 1; n <= data.MeshX; n++){

for(int m = 1; m <= data.MeshX; m++){ dU[n][1] = dU[n][2];

dU[n][data.MeshX] = dU[n][data.MeshX - 1]; dU[data.MeshX][m] = dU[data.MeshX - 1][m]; dU[1][m] = dU[2][m];

}

}

calculateLongitudinal(data.MeshX); // ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕШЕНИЯ В ПОПЕРЕЧНОМ НАПРАВЛЕНИИ

// Определение коэффициентов канонической формы a, b, c, dD

b = 2.0 * tKH + 1.0; a = tKH; c = tKH;

for(int m = 1; m < data.MeshX; m++){ alf[0][m] = 0.0; bet[0][m] = 0.0; dD[0][m] = 0.0;

for(int n = 1; n < data.MeshX; n++){

dD[n][m] = (dU[n][m] * (-1.0 + 2.0 *tKH) - tKH * (dU[n][m + 1]

+ dU[n][m - 1])) +

tKH2 * (dU[n][m + 1] - dU[n][m - 1]) - dF[n][m] *

delg;

}

for(int n = 1; n <= data.MeshX; n++){

alf[n][m] = c / (b - a * alf[n -1][m]);

bet[n][m] = (a * bet[n -1][m] - dD[n - 1][m]) / (b - a * alf[n

- 1][m]);

}

}

// Задание граничных условий

for(int n = 1; n <= data.MeshX; n++){

for(int m = 1; m <= data.MeshX; m++){ dU[n][1] = dU[n][2];

dU[n][data.MeshX] = dU[n][data.MeshX - 1]; dU[data.MeshX][m] = dU[data.MeshX - 1][m]; dU[1][m] = dU[2][m];

}

}

// Определение решения на целом шаге (в поперечном направлении)

calculateCross(data.MeshX); // Определение суммарного распространения примесей for(int n = 1; n <= data.MeshX; n++){

for(int m = 1; m <= data.MeshX; m++){

sumA[n][m] += (dU[n][m]/(h * h)*delg);

}

}

// Запись распределения примесей через 30 итераций

if(iG == nG){

emOutDataString = emString + ".pol"; emString += ".dat";

OutData[emString] = "VARIABLES=\"X(m)\",\"Y(m)\",\"U\"\n"; OutData[emString] += QString("ZONE I=\t%1,J=\t%2\n").arg(data.MeshX).arg(data.MeshX);

OutData[emOutDataString] = QString("%1\t%2\n").arg(data.MeshX).arg(data.MeshX);

OutData[emOutDataString] += QString("%1\t%2\n").arg(data.x).arg(data.y); double sWW;

for(int i = 1; i <= data.MeshX; i++){

for(int j = 1; j <= data.MeshX; j++){ sWW = sumA[i][j] / pDK;

OutData[emString] += QString("%1 %2 %3\n").arg(dX[i][j], 0, 'f', 7).arg(dY[i][j], 0, 'f', 7).arg((sWW / tR), 0, 'e', 7);

OutData[emOutDataString] += QString("%1 %2 %3\n").arg(dX[i][j], 0, 'f', 7).arg(dY[i][j], 0, 'f', 7).arg((sWW / tR), 0, 'e', 7);

}

}

iKS = 0;

}

}

}

// Очищаем выделенную память

destroyCalculationArrays();

std::cerr<<"End of Calculation"<<std::endl; return 0;

// Определение решения на целом шаге в поперечном направлении void CalculatePolutionClass::calculateCross(int Mesh){ for(int n = 1; n < Mesh - 1; n++){

for(int m = 1; m < Mesh - 1; m++){

dU[Mesh - n][Mesh - m] = alf[Mesh - n + 1][Mesh - m] * dU[Mesh - n + 1][Mesh - m] +

bet[Mesh - n + 1][Mesh - m];

}

}

}

bool CalculatePolutionClass::updateCalculationArrays(int n){ lastN = ++n; try{

dX = new double*[n]; dY = new double*[n]; sumA = new double*[n]; dU = new double*[n]; dF = new double*[n]; dL = new double*[n]; dD = new double*[n]; alf = new double*[n]; bet = new double*[n]; for(int i = 0; i < n; i++){ dX[i] = new double[n]; dY[i] = new double[n]; sumA[i] = new double[n]; dU[i] = new double[n]; dF[i] = new double[n]; dL[i] = new double[n]; dD[i] = new double[n]; alf[i] = new double[n]; bet[i] = new double[n]; for(int j = 0; j < n; j++){ dX[i][j] = 0.0; dY[i][j] = 0.0; sumA[i][j] = 0.0; dU[i][j] = 0.0; dF[i][j] = 0.0; dL[i][j] = 0.0; dD[i][j] = 0.0; alf[i][j] = 0.0; bet[i][j] = 0.0;

}

}

return true; }catch(std::exception &e){ return false;

}

}

void CalculatePolutionClass::destroyCalculationArrays(){ if(lastN){

if(dX != NULL){

for(int i = 0; i < lastN; i++)

delete []dX[i]; delete []dX;

}

if(dY != NULL){

for(int i = 0; i < lastN; i++)

delete []dY[i]; delete []dY;

if(sumA != NULL){

for(int i = 0; i < lastN; i++)

delete []sumA[i]; delete []sumA;

}

if(dU != NULL){

for(int i = 0; i < lastN; i++)

delete []dU[i]; delete []dU;

}

if(dF != NULL){

for(int i = 0; i < lastN; i++)

delete []dF[i]; delete []dF;

}

if(dL != NULL){

for(int i = 0; i < lastN; i++)

delete []dL[i]; delete []dL;

}

if(dD != NULL){

for(int i = 0; i < lastN; i++)

delete []dD[i]; delete []dD;

}

if(alf != NULL){

for(int i = 0; i < lastN; i++)

delete []alf[i]; delete []alf;

}

if(bet != NULL){

for(int i = 0; i < lastN; i++)

delete []bet[i]; delete []bet;

}

lastN = 0;

}

}

void CalculatePolutionClass::writeToFile(){

QFile file;

QString em;

outDataMap::iterator it = OutData.begin();

while(it != OutData.end()){

em = it->first;

file.setFileName(em);

if(file.open(QFile::ReadWrite|QFile::Truncate)){ QTextStream stream(&file); stream << OutData[em]; file.close();

}

it++;

}

}

#ifndef CALCULATEPOLUTIONCLASS_H #define CALCULATEPOLUTIONCLASS_H

#include "mainData.h" #include "QtCore"

class CalculatePolutionClass{

public:

CalculatePolutionClass();

int rulenie(calculationData data, sourceXY sourceData, sourceXYList sourceDataList, emitionlndex emData, rulenieData rulData);

int vzlet(calculationData data, sourceXY sourceData, emitionlndex emData, vzletData vzData);

int naborPosadka(calculationData data, sourceXY sourceData, emitionlndex emData, naborData naborData); void writeToFile();

void calculateLongitudinal(int Mesh); void calculateCross(int Mesh);

bool updateCalculationArrays(int n); void destroyCalculationArrays(); ~CalculatePolutionClass();

private:

outDataMap OutData; const double grad; // массивы данных решения задачи double **dX, **dY, **dU, **dF, **dL, **dD, **sumA, **alf, **bet; int lastN;

bool calculationRun;

};

#endif // CALCULATEPOLUTIONCLASS H

#ifndef ISOLINE_H #define ISOLINE_H

#include "math.h"

#include "float.h"

#include "vector"

#include <map>

#include <cstddef>

#include <QImage>

#include <QColor>

#include <QPainter>

#ifndef MAX

#define MAX(x,y) (x > y ? x : y)

#endif

#ifndef MIN

#define MIN(x,y) (x < y ? x : y) #endif

typedef struct!

double r, g, b; } COLOUR;

typedef struct!

double h, s, v; } HSV;

typedef struct!

int x1, y1, x2, y2; } ISOLINES;

typedef std::map<double, std::vector<ISOLINES>> isoMap; class isoline!

public:

isoline(); ~isoline(){

contoursList.clear(); delete[] xaxis; delete[] yaxis;

if(mainX > 0 && mainY > 0){

for(int i = 0; i < mainX; i++){ delete[] dataBig[i];

}

delete dataBig;

}

if(NX > 0 && NY > 0){

for(int i = 0; i < NX; i++){ delete[] dataSmall[i];

}

delete dataSmall;

}

delete imageOut; delete colorlmage;

}

COLOUR GetColour(double, double, double, int); COLOUR HSV2RGB(HSV);

bool addContour(double); bool addContourReCon(double);

bool delContour(double); void sortContour(); void parceContours(); void reDrawLines();

std::vector<double> getContours();

double getZmin(); double getZmax(); void loadlmage(QString);

void drawLine(double x1,double y1,double x2,double y2); void drawPaintLine(double x1,double y1,double x2,double y2);

Qlmage* getImage();

void bilinearInterpolation(); void conrec(int, int, int, int);

void conrecContour(int, int, int, int, double);

int getWidth(); int getHeight();

bool prepareData(int, int, int, int); void colourData(); bool addData(int, int , double); void eraseData();

private:

// flag of loaded data bool loadedData;

// old and resized images int NX; int NY; int mainX; int mainY;

double *xaxis; double *yaxis;

// contours

std::vector<double> contoursList; isoMap contourMap; int contoursCount;

// data matrix

double **dataSmall; double **dataBig; Qlmage *imageOut; Qlmage *colorImage;

// z min and max params double zmin; double zmax;

static const int CONTOURSNUM = 20;

};

#endif // ISOLINE H