УДК 533.6.011:004.94; 574:(621.43:629.7.08.051.2)
ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ МЕТОДОМ СНИЖЕНИЯ ЗАГАЗОВАННОСТИ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ОТ РАБОТЫ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В РАЙОНЕ АЭРОПОРТА И ЕГО ОКРЕСТНОСТЯХ
В. И. Шарапов, кандидат технических наук; В. А. Фадеев, кандидат технических наук, ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем», Москва, В. А. Исаков, кандидат физико-математических наук; И. К. Ермолаев, кандидат технических наук;
А. П. Фаворский , доктор
физико-математических наук, Московский Государственный Университет имени М. В. Ломоносова, Москва
Натекание горизонтальных газовых струй от работающих авиадвигателей на изогнутые экраны-отбойники приводит к возникновению нового эффекта, когда струи газа сталкиваясь с экраном устремляются вверх, меняя направление с горизонтального на закрученное вертикальное.
Возникающее интенсивное перемешивание продуктов сгорания с окружающим воздухом, снаружи и внутри закрученного вертикального течения, приводит к снижению загазованности приземного слоя атмосферы при истечении газовых струй от работающих авиадвигателей в районе аэропорта.
Проведенное математическое моделирование данного процесса с использованием уравнений Эйлера газовой динамики и применение квази-акусти-ческой схемы расчета позволило получить качественную картину взаимодействия во внутренней области экрана, с формированием вихревого потока, устремленного вверх.
Представлены результаты математического моделирования и проведенных модельных и натурных испытаний с использованием экранов — отбойников различной формы при натекании на них парного числа газовых струй от работающих авиадвигателей самолетов. На основе результатов математического моделирования и проведенных модельных испытаний разработаны натурные виды экранов-отбойников механического типа. Впервые в мировой практике проведены натурные испытания изогнутого экрана-отбойника механического типа за самолетом АН-24 перед стартом в аэропорту г. Тамбова.
The leakage of horizontal gas jets from working aircraft engines on curved screens-bumps leads to the emergence of a new effect, when the jets of gas colliding with the screens go upward, changing their direction from horizontal to twisted vertical.
Emerging intensive mixing of the combustion products with ambient air, outside and inside twisted vertical current, reduces gas concentration from working aircraft engines in the surface layer of the atmosphere around the airport.
The mathematical simulation of the process using the Euler equations of gas dynamics and application of quasi-acoustic calculation scheme has produced a qualitative model of interaction in the inner area of the screen, where the emergence of the upward twisted vertical jet occurs.
The paper provides with the results of mathematical simulation and model and field tests, conducted using differently shaped bumps-screens under the condition of the impact of paired gas jets from aircraft engines. Based on the results of mathematical simulation and model tests, field types of screens-bumps of mechanical kind are designed. For the first time in world practice, the field test of a curved screen-bump of mechanical type for aircraft AN-24 before starting off was conducted at the airport of Tambov.
Ключевые слова: экологическое загрязнение атмосферы, изогнутые экраны-отбойники, струи газа, квазиакустическая схема, математическое моделирование.
Keywords: air contamination, parabolic shaped screens-bumps, gas jets, a quasi-acoustic scheme, mathematical simulation.
Введение. В современном мире происходит бурное развитие различных видов транспортных средств, в особенности воздушных. Возрастание пассажиропотоков и грузов приводит к увеличению движения воздушных судов, что оказывает негативное воздействие на окружающую среду, как от эмиссии выхлопных продуктов сгорания авиационного топлива, так и от шума работающих авиадвигателей. В частности, на долю эмиссии выхлопных продуктов сгорания приходится до 4 % всех выбросов газов [1].
Значительное внимание по защите окружающей среды от вредного воздействия авиации уделяют ООН и ИКАО. В частности, Комитет по охране окружающей среды от воздействия авиации Международной организации гражданской авиации (ИКАО) рекомендует в качестве одной из комплексных мер — использование специальных эксплуатационных приемов и средств по снижению интенсивности источника неблагоприятного воздействия. Одновременно ужесточаются нормативные требования по предельно допустимым уровням эмиссии газов на территории и вблизи аэропорта, так как основная суммарная масса выбросов вредных веществ практически полностью приходится на наземный участок взлетно-посадочного цикла самолета [1, 2]. Проведенные авторами в течение ряда лет исследования по оценке и снижению загазованности окружа-
ющей среды от работающих двигателей самолетов в районе аэропорта [3—5] были направлены на:
— определение зон экологического загрязнения воздушной среды в районе аэропорта при выполнении воздушными судами основных взлетно-посадочных операций;
— поиски специальных методов и средств по снижению загазованности приземного слоя атмосферы от эмиссии выхлопных продуктов сгорания авиационного топлива;
— разработку моделей и проведение математического моделирования взаимодействия истекающих газовых струй с различными видами экранов-отбойников.
В данной работе представлены: разработанная математическая модель, результаты математического моделирования и проведенных модельных и натурных испытаний с использованием экранов-отбойников различной формы механического типа при натекании на них парного числа газовых струй от работающих авиадвигателей самолетов, направленные на снижение загазованности приземного слоя атмосферы и улучшение экологического состояния воздушного пространства в окрестностях аэропорта.
Исследование взаимодействия парного числа газовых струй с изогнутыми экранами-отбойниками. Одним из путей снижения загазованности местности и уменьшения концентрации выбросов вредных веществ, содержащихся в истекающих продуктах сгорания от работающих авиадвигателей, особенно на стоянке и перед взлетом, является установка за ними на расстоянии Ь « 50^0 специальных средств в виде изогнутых экранов-отбойников, имеющих формы параболы, П-образную, сегментную и т. п. Экраны-отбойники могут быть механического, гидродинамического и газодинамического типа. Натекание парного числа горизонтальных струй на изогнутые экраны-отбойники приводит к возникновению нового эффекта, когда струи газа, сталкиваясь с экраном, устремляются вверх, меняя направление с горизонтального на закрученное вертикальное, имея вид «торнадо» [6, 7]. При этом происходит интенсивное перемешивание истекающих продуктов сгорания с окружающим воздухом снаружи и внутри закрученного вертикального течения (рис. 1). На вращательное движение струй, изменяющих направление, указывают растекания масляных пленок по поверхности экрана-отбойника при проведении модельных испытаний [8]. Это наглядно видно при шаговом экспонировании кадров
Рис. 1. Картина взаимодействия двух струй с экраном-отбойником
киносъемки проведенных испытаний. Высота подъема вверх закрученных газов может достигать Н = (500 - 800)^0. Такое интенсивное перемешивание истекающих продуктов сгорания от работающих авиадвигателей с окружающим воздухом приводит к снижению концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы и улучшению экологической обстановки в районе аэропорта.
Математическое моделирование взаимодействия газовых струй с экраном-отбойником. Проведение натурных экспериментов является достаточно трудоемким и затратным процессом. В связи с этим была разработана математическая модель взаимодействия истекающих из двигателей самолета газовых струй со стенками экрана-отбойника и проведено математическое моделирование.
Цель математического моделирования состояла в том, чтобы выяснить качественное поведение течения газовых струй во внутренней и внешней областях экрана-отбойника, а также определить суммарную (интегральную) силу давления газовых струй на стенки экрана-отбойника.
Процесс распространения и взаимодействия газовых струй со стенками экрана-отбойника можно описать с помощью уравнений Эйлера газовой динамики в случае трех пространст-
венных измерений [9], которые в дивергентной форме принимают вид:
(1)
д- + <Ш + сЮ + дН = 0 дх ду дг
где 7 = {р, = р, = ру, = рл, е = р(е +
2 2 2 т + (и2 + V2 + л2)/2)}т — вектор-столбец консервативных переменных; р — плотность газа; и, V, л — компоненты вектора скорости V вдоль координатных направлений х, у, г; р — давление газа; д(1) = ри, д(2) = ру, д(3) = рл — компоненты объемной плотности импульса газа вдоль соответствующего координатного направления; е = р(Е + (и2 + у2 + л2)/2) — полная энергия газа единицы объема; е — удельная внутренняя энергия газа; Ё, С, Н — вектор-столбцы потоков:
Ё = {ри, щ(1) + р, щ(2), щ(3), и(е + р)}т,
С = {ру, уд(1), vq(2) + р, уд(3), у(е + р)}т,
Н = {рл, лq(1), лq(2), лq(3) + р, л(е + р)}т.
Все газодинамические функции системы (1) зависят от времени t и декартовых координат х, у, г. Система уравнений замыкается уравнением состояния идеального газа: р = (у - 1)рЕ, где у > 1 — показатель адиабаты.
Расчет задачи проводился в области О, имеющей форму прямоугольного параллелепипеда, во внутренней области которого расположен экран-отбойник, имеющий форму прямоугольной скобы (рис. 2). Прямоугольниками условно обозначены двигатели самолета, из которых происходит истечение газовых струй. Считалось, что двигатели работают непрерывно на протяжении всего хода эксперимента, а параметры истекающих из авиадвигателей самолета газовых струй выбирались близкими к реальным данным модельных и натурных испытаний.
Местоположение и размер скобы выбирались таким образом, чтобы основная часть истекающих газовых струй попадала во внутреннюю область экрана-отбойника. На границах расчетной области О поставлены следующие условия: стенки экрана-отбойника и нижняя граница расчетной области О считались непроницаемыми; на других грани
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.