1О.І. Запорожець icon

1О.І. Запорожець




Скачати 165.97 Kb.
Назва1О.І. Запорожець
Дата16.08.2012
Розмір165.97 Kb.
ТипДокументи



I SSN 1813–1166. Вісник НАУ. 2004. №4

УДК 629.735.036.3:504.3.054(045)

1О.І. Запорожець, д-р техн. наук

2К.В. Синило

МОДЕЛЬ СТРУМЕНЯ ВІДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗІВ АВІАЦІЙНОГО ДВИГУНА


Інститут екології та дизайну НАУ e-mail: 1zap@nau.edu.ua; 2katrin_sin@ukr.net

Розглянуто модель струменя відпрацьованих газів авіаційного двигуна на підставі амери-канської моделі Aermod. Визначено висоту спливання струменя за алгоритмом моделі Aermod. Проведено порівняння отриманих результатів з комплексною моделлю НАУ для різних режимів авіаційного двигуна і різної швидкості вітру.

Вступ


Забруднення атмосферного повітря (АП) під час експлуатації літаків цивільної авіації виникає внаслідок викиду авіаційними двигунами (АД) забруднюючих речовин (ЗР). Проблема забруднення АП може стати причиною глобальних екологічних проблем, у т. ч. парникового ефекту, кислотних опадів, смогів та озонових дір.

Під час аналізу забруднення АП викидами АД у приземному шарі атмосфери особливу увагу приділяють зоні аеропорту, у межах якої здійснюються експлуатаційні операції. Таким чином, розробка програми розрахунку концентрації ЗР є актуальною, оскільки існуюча методика ОНД-86 придатна лише для стаціонарних джерел.

На сьогодні в Національному авіаційному університеті розроблено комплексну модель оцінки забруднення, яка складається з таких моделей:

– моделі емісії ЗР АД, що враховує вплив експлуатаційних чинників;

– моделі переносу домішок ЗР струменями відпрацьованих газів АД;

– моделі розсіювання домішок ЗР в АП унаслідок переносу їх вітром і впливу атмосферної турбулентності.

Розроблена модель дозволяє досліджувати миттєві і максимально разові концентрації в районі аеропорту [1].
^

Структура і аналіз


американської моделі Aermod

Аналогічні підходи до оцінки забруднення АП існують і у міжнародній практиці. Прикладом може бути американська модель Aermod.

Модель Aermod і потік даних у ній показано на рис. 1. Система моделювання складається з головної програми (Aermod) і двох підпрограм (Aermet і Aermap).

Підпрограма Aermet використовує вхідні метеорологічні дані для моделювання і розрахунку параметрів примежового шару атмосфери, які включають Інтерфейс метеорологічних параметрів для оцінки параметрів вертикальних профілів вітру, турбулентності, температури, відношення подібності.

Підпрограма Aermet поряд зі стандартними метеорологічними спостереженнями використовує характеристики стану атмосфери у формі: альбедо, шорсткість і відношення Боуена. На підставі вихідних даних розраховуються параметри примежового шару, які в Aermod використовуються для розрахунку концентрації [2].

Мета підпрограми Aermар визначення масштабу висоти hc ландшафту, що оточує приймач (xr, yr, zr), яка впливає на потік повітряних мас і перенос ЗР. Результати розрахунку зазначених підпрограм надходять у головну програму Aermod, що вираховує концентрації ЗР як у конвективному, так і у стійкому шарах. Модель Aermod моделює п’ять типів струменів залежно від атмосферної стійкості та місцеположення джерела забруднення щодо примежового шару: прямий, непрямий, пронизаний, стійкий, уведений [2].
^

Визначення концентрації

забруднюючих речовин з урахуванням

шорсткості підстильної поверхні


Модель Aermod вираховує концентрацію в
приймачі (xr, yr, zr) як суму двох оцінок обмеження:

,

де – повна концентрація в приймачі;
– функція ваги, яка визначається станом струменю; – концентрація, що визначається особливостями горизонтального струменя.



Рис. 1. Структура моделі Aermod

Розрахунок концентрації

забруднюючих речовин

у конвективному межовому шарі (CBL)

Модель Aermod розраховує три типи джерел (прямий, непрямий, пронизаний), що формують забруднення АП за конвективних умов:

+

,

де – повна концентрація в CBL; – концентрація від прямого джерела; – концентрація від непрямого джерела; – концентрація від пронизаного джерела.

Струмінь від прямого джерела в межах кон-вективного шару досягає земної поверхні через низхідні потоки.

На відміну від прямого струмінь від непрямого джерела в межах конвективного шару піднімається до верхів’я шару у висхідних потоках, взаємодіє з підвищеною інверсією та повертається до земної поверхні через низхідні потоки.

Струмінь від пронизаного джерела проникає в стійкий шар.

На рис. 2 зображено три типи зазначених струменів у конвективному шарі.



Рис. 2. Три типи струменів у конвективному шарі

^ Розрахунок концентрації забруднюючих

речовин у стійкому примежовому шарі (SBL)

Модель Aermod розглядає забруднення АП від стійкого джерела:





,

де – висота струменя; – інтенсивність емісії джерела, г/с; – швидкість вітру, м/с; –загальна дисперсія; – горизонтальний розподіл функції, м-1; – висота стійкого джерела, м; – висота поверхні, що відзеркалює, м.

Модель Aermod не розглядає особливості струменя газів АД як джерела забруднення АП. Непряме джерело може відповідати АД.

Струмінь піднімається до вершини CBL, взаємодіє з підвішеною інверсією та опускається до земної поверхні [3].

Алгоритм розрахунку концентрації ЗР в АП, що викидаються непрямим джерелом, повністю поданий у моделі Aermod.

Розглянутий розрахунок концентрації враховує коефіцієнти дисперсії, оскільки горизонтальний і вертикальний розподіли концентрації є наслідками оточуючої турбулентності і плавучості струменя. Висота непрямого джерела визначається з урахуванням спливання струменя на висоту ∆hi.

Плавучість струменя для непрямого джерела в конвективному шарі визначається за формулою

, (1)

де – характеристика плавучості струменя; – висота конвективного шару, м; ; – швидкість вітру, м/с; –горизонтальний розподіл еліптичного струменя; – вертикальний розподіл еліптичного струменя:

; (2)

, (3)

де ; ; – конвективна швидкість, м/с; х – подвітряна відстань, м; ; – висота джерела, м.

Характеристику плавучості потоку Fb розраховують за формулою

; (4)

Ts = TsT,

де – прискорення вільного падіння, м/с2; – швидкість струменя, м/с; – радіус сопла, м;
– температура газів струменя, К; – температура навколишнього повітря, К [2].
^

Порівняння комплексної моделі НАУ


з моделлю Aermod

Висоту спливання струменя відпрацьованих газів АД, зумовлену нагрівом газів струменя щодо температури оточуючого повітря в комплексній моделі НАУ, визначають за формулою

, (5)

де – число Архімеда; Ха – значення подов-жньої координати, викривленої внаслідок спливання ділянки струменя; – радіус вихідного сопла, м.

Як видно з формул (1) – (4), модель Aermod на відміну від комплексної моделі НАУ див.
формулу (5) не враховує кривизну осі струменя, зумовлену ефектом спливання.

Крім того, у моделі Aermod не розглядаються вертикальна та горизонтальна складові швидкості струменя wS. Зазначені недоліки моделі Aermod призводять до помилки в розрахунку плавучості струменя і концентрації ЗР.

На підставі наведеного алгоритму в Aermod було побудовано модель розрахунку плавучості струменя для різних швидкостей вітру Uv (2, 4, 6, 8, 10 м/с) і різних режимів роботи АД (макси-мального, номінального, постійного, малого газу).

Розрахунок плавучості струменя проводився для вертикальної (wS = w) і горизонтальної
(wS = u) складових швидкості струменя.

У першому випадку згідно з формулами
(1) – (4) ∆hi = 0, оскільки швидкість струменя відпрацьованих газів АД дорівнює горизонтальній складовій швидкості u, а вертикальна складова швидкості w дорівнює нулю. У другому випадку розраховані значення плавучості струменя ∆hi збіль- шуються зі зменшенням роботи двигуна (табл. 1).

Порівняльний аналіз отриманих результатів моделювання ∆hi і dHа було проведено на підставі комплексної моделі НАУ.

Згідно з результатами, наведеними у табл. 1, слід зазначити, що різниця між ∆hi і dHа зменшується при збільшенні швидкості вітру.

Як видно з формул (1) – (4), збільшення висоти спливання струменя ∆hi зі зменшенням роботи двигуна можна пояснити зменшенням швидкості струменя w2 у знаменнику формули (1), оскільки на режимі малого газу швидкість w2 значно менше, ніж на інших режимах роботи АД.

Різниця між указаними висотами більше на режимах малого газу ніж на максимальному та номінальному режимах.

Американська модель Aermod подає джерела викидів ЗР в АП як стаціонарні, а це може призвести до помилки в розрахунках для струменя відпрацьованих газів від АД.

На підставі комплексної моделі НАУ було побудовано модель струменя відпрацьованих газів турбореактивного двигуна для різних режимів роботи двигуна (максимального, номі-нального, постійного, малого газу) і швидкостей вітру. У моделі розраховувалися межі початкової Sn, перехідної Sp та основної So ділянок струменя і значення розширення межі на цих ділянках Rn, Rp, Ro (табл. 2).

Згідно з результатами моделювання було знайдено закономірність змінювання основної ділянки струменя So і радіуса її розширення Ro залежно від режиму роботи двигуна літака.

Так, найбільше значення So та Ro формується на максимальному режимі, найменше – на режимі малого газу.

Значення So та Ro зменшуються зі зростанням швидкості вітру. Найбільше значення Sn та Rn формується на режимі малого газу і збільшується зі зростанням швидкості вітру.

Також було побудовано модель розрахунку концентрації ЗР, що викидаються струменем відпрацьованих газів повітряного судна (табл. 2).

Було визначено концентрації основних ЗР:

– оксиду вуглецю CO;

– оксидів азоту NOx;

– вуглеводнів CnHn;

– завислих речовин.

Рівень забруднення АП визначається для різних режимів АД (максимального, номінального, постійного, малого газу) при різних швидкостях вітру UV (2, 6, 8, 10 м/с).

^ Таблиця 1

Результати розрахунку плавучості струменя

за комплексною моделлю НАУ (dHа)

і моделлю Aermod (∆hi)

Режим АД

z

dHa

hi



Швидкість вітру Uv = 2 м/с

Максимальний

13,16

9,66

4,84

4,82

Номінальний

10,88

7,38

4,86

2,52

Постійний

5,33

1,83

5,43

–3,60

Малий газ

4,21

0,71

8,08

–,36

Швидкість вітру Uv=6 м/с

Максимальний

8,0

4,50

2,79

1,71

Номінальний

6,89

3,39

2,8

0,59

Постійний

4,33

0,83

3,13

–2,30

Малий газ

3,81

0,31

4,63

–4,32

Швидкість вітру Uv=10 м/с

Максимальний

5,93

2,43

2,16

0,27

Номінальний

5,32

1,82

2,17

–0,35

Постійний

3,94

0,44

2,42

–1,99

Малий газ

3,66

0,16

3,54

–3,38


^

Таблиця 2

Результати розрахунку меж ділянок струменя і концентрацій ЗР



Режим АД

Ділянка струменя

Концентрація ЗР, мг/м3

Sn

Rn

Sp

Rp

So

Ro





x

Зависла

речовина

Швидкість вітру Uv = 2 м/с

Максимальний

4,69

1,27

7,04

2,8

313,9

69,1

3,8

0,31

9,6

0,65

Номінальний

5,21

1,41

7,82

2,8

301,4

66,4

3,5

0,33

7,6

0,69

Постійний

7,02

1,9

10,5

2,8

193,8

42,8

22

5,3

5,7

1,1

Малий газ

8,31

2,24

12,5

2,8

85,79

19,1

210

190

5

1,7

Швидкість вітру Uv = 6 м/с

Максимальний

4,79

1,29

7,19

2,8

235,1

51,8

5,1

0,42

13

0,87

Номінальний

5,33

1,44

8,0

2,8

226,0

49,8

4,7

0,44

10

0,9

Постійний

7,29

1,97

10,9

2,8

145,9

32,2

29

6,9

7,4

1,4

Малий газ

8,96

2,41

13,4

2,8

65,87

14,8

250

220

5,8

2

Швидкість вітру Uv = 8 м/с

Максимальний

4,85

1,31

7,27

2,8

208,9

46,1

5,7

0,47

14

0,97

Номінальний

5,39

1,46

8,09

2,8

200,8

44,3

5,2

0,49

11

1

Постійний

7,43

2,01

11,1

2,8

130,0

28,8

32

7,7

8,2

1,6

Малий газ

9,28

2,51

13,9

2,8

59,4

13,4

260

230

6,1

2,2

Швидкість вітру Uv = 10 м/с

Максимальний

4,9

1,32

7,34

2,8

188

41,5

6,3

0,52

16

1,1

Номінальний

5,45

1,47

8,18

2,8

180,8

39,9

5,8

0,54

13

1,1

Постійний

7,56

2,04

11,4

2,8

117,3

26,0

35

8

9

1,7

Малий газ

9,61

2,59

14,4

2,8

54,31

12,4

280

240

6,3

2,2




Концентрації ЗР в струмені збільшуються зі зростанням швидкості вітру (2–10 м/с). Значущі концентрації ЗР формуються на режимі малого газу, особливо це стосується концентрацій оксиду вуглецю CO і вуглеводнів CnHn.

Висновки


Значущі концентрації ЗР утворюються на режимі малого газу, зокрема, оксид вуглецю і вуглеводні. При номінальному режимі утворюються значущі концентрації оксиду азоту. У подальшому планується здійснити розрахунок концентрації за наведеним алгоритмом у моделі Aermod і порівняти результати з результатами комплексної моделі НАУ.

Список літератури

1. Запорожець О.І. Оптимізація процедур експлуатації повітряних суден з метою зниження впливу на навколишнє cередовище: Дис. канд. техн. наук. – К., 1984. – 150 с.

2. AERMIC. Formulation of the AERMIC MODEL (AERMOD) (Draft), Regulatory Docket AQM-95-01, AMS/EPA Regulatory Model Improvement Committee (AERMIC), 1995.

3. Бызова Н.Л. Рассеивание примесей в погра-ничном слое атмосферы. – М.: Гидрометеоиздат, 1974. – 190 с .

Стаття надійшла до редакції 08.10.04.

А.И. Запорожец, К.В. Синило

Модель струи отработанных газов авиационного двигателя

Рассмотрена модель струи отработанных газов авиационного двигателя на основании американской модели Aermod. Определена высота всплывания струи по алгоритму модели Aermod. Проведен сравнительный анализ полученных результатов с комплексной моделью НАУ для разных режимов авиационного двигателя и разной скорости ветра.

O.I.Zaporozhets, K.V.Sinilo

The аviation еngine’s gas plume model according to the american model aermod

The examination of aviation engine’s gas plume model according to the american model Aermod was done. The plume rise’s height was determined using Aermod program algorithm. The comparison analysis of obtained results with complex model of National Aviation University was done for different regimes of aviation engine and different values of wind speed.

Схожі:

1О.І. Запорожець iconУап І курс
Запорожець Т. В. Соціологія. Практикум (збірник практичних завдань для використання на семінарських заняттях). – К. Університет економіки...
1О.І. Запорожець icon1О.І. Запорожець
Розглянуто алгоритми обґрунтування пропускної здатності аеропорту з обмеженнями по авіаційному шуму з метою забезпечення експлуатаційної...
1О.І. Запорожець iconЗавдання №11
Запорожець”. Також було знайдено і вилучено декілька частинок від автомобільного лобового скла, на поверхні якого під мікроскопом...
1О.І. Запорожець iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни херсонський державний університет
Сидорович М. М. –професор кафедри фізіології людини І тварин, д п н.; Запорожець О. П. – доцент кафедри фізіології людини І тварин,...
1О.І. Запорожець iconО.І. Запорожець, д-р техн наук дослідження акустичного поля біля пружної тонкої панелі з використанням інтегрального методу
Обчислювальну модель отримано з використанням рівняння Гельмгольца та рівняння коливання пластини на основі інтегрального методу...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи