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

Краткое описание

Турчинович Анна Олеговна. Моделирование распространения загрязняющих веществ от двигателей самолетов на этапах взлетно-посадочного цикла и при гонке двигателей с учётом кинетической модели: диссертация ... кандидата технических наук: 01.02.05 / Турчинович Анна Олеговна;[Место защиты: Институт теоретической и прикладной механики им.С.А.Христиановича СО РАН].- Новосибирск, 2016.- 184 с.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Новосибирский государственный технический университет»
На правах рукописи
Турчинович Анна Олеговна
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ОТ ДВИГАТЕЛЕЙ САМОЛЕТОВ НА ЭТАПАХ ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНОГО ЦИКЛА И ПРИ ГОНКЕ ДВИГАТЕЛЕЙ С УЧЁТОМ
КИНЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук,
доцент Т.А. Коротаева
Новосибирск – 2015

2 ОГЛАВЛЕНИЕ
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
3.3.2 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

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В рамках диссертационной работы разработаны подходы и методики, позволяющие повысить достоверность расчетов уровня загрязнения территорий аэропортов, аэродромов и приаэродромных территорий, и увеличить точность в установлении границ СЗЗ.
Для этапов стандартного ВПЦ разработана методика и на ее основе программный продукт, позволяющие определить количество и характер распространения ЗВ от движущегося источника. В основу программы заложена математическая модель распространения химически пассивной примеси, за счет механизмов диффузии и переноса воздушными массами. Численное решение данной задачи позволяет в любой момент времени, в любой рассматриваемой точке установить количество ЗВ, которое определяется интенсивностью источника и его удалением. Встроенная база данных, содержащая информацию о типах отечественных авиадвигателей, позволяет существенно сократить время, необходимое для подготовки данных для расчета. При отсутствии данных о том или ином типе двигателя, предусмотрена возможность пополнения базы данных. Представление концентрации ЗВ, отнесенных к ПДК, в виде изолиний на карте расчетной области позволяет проанализировать не только уровень загрязнения, но и размер области загрязнения, а также динамику его распространения.
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

162
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.
Для этапа «гонка двигателей» впервые проведено исследование с использованием численного решения уравнений Навье-Стокса с учетом химической активности продуктов сгорания авиатоплива, реализованной для двух наиболее неблагоприятных для окружающей среды режимов работы двигателей ВС - режимы максимальной и минимальной тяги. Реализация данного подхода в трехмерной постановке позволяет оценить особенности течения и взаимодействия ЗВ с элементами самолета и газоотбойником, область их воздействия, а также оценить концентрации ЗВ в зависимости от конфигурации газоотбойника или расстояния до ВС в любой плоскости. Так, при максимальной тяге отмечается наибольшее превышение ПДК для диоксидов азота, а при минимальной тяги - для оксидов углерода.
Анализ структуры щита и дальности его расположения относительно авиадвигателей позволяет дать рекомендации по его установке в зависимости от требуемого результата: для наилучшего рассеивания целесообразнее использовать ячеистый газоотбойник, установленный дальше от его первоначального положения и, наоборот, для концентрации веществ на территории для опробования двигателей необходимо ставить газоотбойник ближе к ВС и делать его в виде сплошной преграды. Также полученные данные об уровне загрязнения могут быть использованы при анализе и построения СЗЗ.
Таким образом, в ходе исследования разработаны методики, позволяющие повысить достоверность расчетов уровня загрязнения территорий аэропортов, аэродромов и приаэродромных территорий. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
• проанализированы существующие методы расчета рассеивания ЗВ от двигателей ВС, выявлены их недостатки;

163
• разработан метод расчета рассеивания ЗВ от движущихся источников для основных этапов взлетно-посадочного цикла;
• создан по разработанному методу программный продукт для расчета рассеивания ЗВ движущегося источника с базой данных отечественных авиадвигателей;
• проведено численное моделирование этапа «гонка двигателей» в двумерном и трехмерном приближении с учетом кинетической модели взаимодействия отработавшего топлива с воздухом;
проанализирована эффективность газоотбойника при различной структуре и при различном положении его относительно ВС.