cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2021-24-6-27-41caht-1899Research ArticleАВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКАAVIATION, ROCKET AND SPACE TECHNOLOGYОбтекание горного ландшафта в окрестности аэропорта Дананг атмосферным ветром и вопросы безопасности полетаАtmospheric wind flow around the mountain landscape in the vicinity of Danang airport and flight safety issuesВышинскийВ. В.VyshinskyV. V.

Вышинский Виктор Викторович, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник отделения аэродинамики самолетов и ракет НИО-2

г. Жуковский

Victor V. Vyshinsky, Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Researcher, Department of Aerodynamics of Airplanes and Rockets, Research Department-2

Zhukovsky

viktor.vyshinskiy@tsagi.ruЗоанК. Т.ZoanK. T.

Зоан Конг Тьинь, аспирант кафедры прикладной механики и информатики

г. Долгопрудный

Zoan Kong Tin, Postgraduate Student, Applied Mechanics and Computing Science Chair

Dolgoprudny

doancongchinh@phystech.eduЦентральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. ЖуковскогоРоссияCentral Aerohydrodynamic Institute (TsAGI)Russian FederationМосковский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Institute of Physics and Technology (State University)Russian Federation2021271220212462741Copyright © Вышинский В.В., Зоан К.Т., 20212021Вышинский В.В., Зоан К.Т.Vyshinsky V.V., Zoan K.T.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/1899

Обтекание горного ландшафта и крупных сооружений, расположенных вблизи взлетно-посадочных полос (ВПП), ветровым пограничным слоем создает когерентные вихревые структуры (КВС), которые могут пересекать посадочную глиссаду и область воздушного пространства вблизи аэропорта. Самолет, попавший в вихревую структуру, испытывает существенные изменения аэродинамических сил и моментов, что особенно опасно у земли. С математической точки зрения решение данной задачи представляет большие трудности в силу чрезвычайно больших пространственно-временных масштабов явления, отсутствия адекватных моделей атмосферы, а также исчерпывающих начально-краевых условий при численном моделировании. В данной работе строится композитное решение: область генерации когерентных вихревых структур рассчитывается достаточно подробно в рамках сеточного метода. По полученным данным в приближении аналитических функций формируется начальная вихревая структура, эволюция и стохастика которой моделируются в рамках потенциального приближения с помощью вихрей Рэнкина. Оценка приращения сил и моментов от воздействия вихревых структур на самолет выполнена c помощью панельного метода в рамках инженерного подхода. В качестве примера рассмотрены когерентные вихревые структуры, возникающие при ветровом обтекании горного массива полуострова Шонча, расположенного вблизи ВПП 35R-17L и 35L-17R аэропорта Дананг. Для улучшения качества расчетных сеток и верификации метода решения краевой задачи для осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье – Стокса использованы критерии, основанные на принципе максимума давления, требующие положительности Q-параметра в ядрах вихрей и областях отрыва потока. Рассмотрена ситуация попадания пассажирского самолета типа МС-21, взлетевшего с полосы 35R-17L, после выхода на курс, близкий по направлению оси вихревой ветровой структуры от полуострова Шонча, в КВС от горного массива.

Wind boundary layer flow over the mountain landscape and large structures located around runways (RWs) creates coherent vortex structures (CVSs) that can cross a glideslope and airspace in the vicinity of an airport. The aircraft, encountering a vortex structure, experiences significant changes of the aerodynamic forces and moments, what is especially hazardous due to proximity to terrain. From a mathematical point of view, the solution of this problem presents a challenge due to extremely large space – time scale of the phenomenon, the lack of relevant atmospheric models, as well as comprehensive initial – boundary conditions in numerical modeling. In this paper, a composite solution is constructed: the CVSs area generation is computed in sufficient details within the framework of the grid method. Based on the data obtained in the approximation of analytical functions, an initial vortex structure is formed, the evolution and stochastics of which are modeled within the potential approximation by means of Rankine vortices. The evaluation of the forces and moments increment from the impact of vortex structures on the aircraft was carried out by the panel method using the engineering approach. As an example, the CVSs, resulting from wind flow around the mountainous area of the Son Tra Peninsula, that is located short of RWs 35R-17L and 35L-17R of Da Nang airport, are investigated. To improve the computational grids quality and verify the method of solving the boundary value problem for the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, we used the criteria based on the principle of maximum pressure, requiring Q-parameter positivity property in the vortices cores and flow separation regions. A CVS related aviation event, involving a passenger aircraft MC-21, is studied. The aircraft, after takeoff from RW 35R-17L setting the course close to the direction of the vortex wind structure axis from the Son Tra Peninsula, encountered the mountainous area CVS.

когерентные вихревые структуры в атмосферероторная турбулентностьбезопасность полетовкраевые задачиосредненные по Рейнольдсу уравнения Навье – Стоксаметод граничного элементаметод дискретных вихрейпанельные методыcoherent vortices structures in the atmosphererotor turbulenceflight safetyboundary value problemsReynolds-averaged Navier-Stokes equationsboundary element methodmethod of discrete vorticespanel methodsReferencesБарри Г. Погода и климат в горах. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 310 с.Barry, G.R. (1984). Pogoda i klimat v gorakh [Weather and climate in mountains]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 310 p. (in Russian)Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1970. 292 c.Zilitinkevich, S.S. (1970). Dinamika pogranichnogo sloya atmosfery [The dynamics of the atmospheric boundary layer]. Leningrad: Gidrometeorologicheskoye izdatelstvo, 292 p. (in Russian)Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1970. 340 с.Laikhtman, D.L. (1970). Fizika pogranichnogo sloya atmosfery [The physics of the atmospheric boundary layer]. Leningrad: Gidrometeorologicheskoye izdatelstvo, p. 340. (in Russian)Bobylev A.V. Aircraft vortex wake and flight safety problems / A.V. Bobylev, V.V. Vyshinsky, G.G. Soudakov, V.A. Yaroshevsky // Journal of Aircraft. 2010. Vol. 47, no. 2. P. 663‒674.Bobylev, A.V., Vyshinsky, V.V., Soudakov, G.G. and Yaroshevsky, V.A. (2010). Aircraft vortex wake and flight safety problems. Journal of Aircraft, vol. 47, no. 2, p. 663–674.Ананьин И.В. Вихри в земной коре и их влияние на поверхностные явления на земле // Труды XXX академических чтений по космонавтике. М.: Комиссия РАН, 2006. С. 191‒192.Ananin, I.V. (2006). Vikhri v zemnoy kore i ikh vliyaniye na poverkhnostnyye yavleniya na zemle [Vorteces in the earth's crust and their influence on surface phenomena on the earth]. Trudy XXX akademicheskikh chteniy po kosmonavtike [Proceedings of XXX Academic Readings on Astronautics]. Moscow: Rossiyskaya Akademiya Nauk, p. 191‒192. (in Russian)Быков Л.П. Применение модели пограничного слоя атмосферы над сложной поверхностью к изучению бризовой циркуляции // Труды главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. 1981. Вып. 454. С. 97–108.Bykov, L.P. (1981). Primeneniye modeli pogranichnogo sloya atmosfery nad slozhnoy poverkhnostyu k izucheniyu brizovoy tsirkulyatsii [Application of the atmospheric boundary layer above a complex surface model to the study of breeze circulation]. Trudy glavnoy geofizicheskoy observatorii, issue 454, p. 97–108. (in Russian)Матвеев Л.Т. Динамика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 321 c.Matveev, L.T. (1981). Dinamika oblakov [The dynamics of clouds]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 312 p. (in Russian)Hilsenrath E. High altitude aircraft water vapor measurements // AIAA/AMS International Conference on the Environmental Impact of Aerospace Operations in the High Atmosphere. USA, Colorado, Denver, 11–13 June 1973. 7 p. DOI: 10.2514/6.1973-511Hilsenrath, E. (1973). High altitude aircraft water vapor measurements. AIAA/AMS International Conference on the Environmental Impact of Aerospace Operations in the High Atmosphere. USA, Colorado, Denver, 7 p. DOI: 10.2514/6.1973-511Жигулев В.Н. Динамика неустойчивостей. М.: Изд-во МФТИ, 1996. 344 с.Zhigulev, V.N. (1996). Dinamika neustoychivostey [Dynamics of instabilities]. Moscow: Izdatelstvo MFTI, 344 p. (in Russian)Босняков И.С., Судаков Г.Г. Расчет разрушения вихревого следа за пассажирским самолетом с помощью метода моделирования больших вихрей второго порядка аппроксимации // Труды МФТИ. 2014. Т. 6, № 3. С. 3–12.Bosnyakov, I.S. and Soudakov, G.G. (2014). Raschet razrusheniya vikhrevogo sleda za passazhirskim samoletom s pomoshchyu metoda modelirovaniya bolshikh vikhrey vtorogo poryadka approksimatsii [Destruction calculation of a vortex trail behind a passenger aircraft using the method of large vortices of the second approximation order modeling]. Proceedings of Moscow Institute of Physics and Technology, vol. 6, no. 3, p. 3–12. (in Russian)Босняков И.С., Судаков Г.Г. Верификация инженерной модели разрушения вихревого следа за самолетом с помощью метода моделирования больших вихрей // Труды МФТИ. 2015. Т. 7, № 2. С. 83–98.Bosnyakov, I.S. and Soudakov, G.G. (2015). Verifikatsiya inzhenernoy modeli razrusheniya vikhrevogo sleda za samoletom s pomoshchyu metoda modelirovaniya bolshikh vikhrey [Engineering model of vortex trail destruction verification using the method of modeling large aircraft]. Proceedings of Moscow Institute of Physics and Technology, vol. 7, no. 2, p. 83–98. (in Russian)Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model // Turbulence, Heat and Mass Transfer 4: 4th international symposium on turbulence, heat and mass transfer. Turkey, Antalya, 12–17 October 2003. 8 p.Menter, F.R., Kuntz, M. and Langtry, R. (2003). Ten years of industrial experience with the SST turbulence model. Turbulence, Heat and Mass Transfer 4: 4th international symposium on turbulence, heat and mass transfer. Turkey, Antalya, 8 p.Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. 616 с.Roache, P. (1980). Vychislitelnaya gidrodinamika [Computational Fluid Dynamics]. Moscow: Mir, 616 p. (in Russian)Вышинский В.В., Сизых Г.Б. О верификации расчетов стационарных дозвуковых течений и о форме представления результатов // Математическое моделирование. 2018. Т. 30, № 6. С. 21–38.Vyshinsky, V.V. and Sizykh, G.B. (2018). The verification of the calculation of stationary subsonic flows and the presentation of results. Matematicheskoye modelirovaniye, vol. 30, no. 6, p. 21–38. (in Russian)Воеводин А.В. Эволюция струйно-вихревого следа за пассажирским самолетом / А.В. Воеводин, В.В. Вышинский, А.М. Гайфуллин, Ю.Н. Свириденко // Аэромеханика и газовая динамика. 2003. № 4. С. 23–31.Voyevodin, A.V., Vyshinsky, V.V., Gaifullin, A.M. and Sviridenko, Yu.N. (2003). Evolyutsiya struyno-vikhrevogo sleda passazhirskogo samolyota [Jet-vortex trail evolution behind passenger aircraft]. Aeromekhanika i gazovaya dinamika, no. 4, p. 23–31. (in Russian)Вышинский В.В., Судаков Г.Г. Математическая модель эволюции вихревого следа за самолетом в турбулентной атмосфере // Аэромеханика и газовая динамика. 2003. № 3. С. 46‒55.Vyshinsky, V.V. and Soudakov, G.G. (2003). Matematicheskaya model evolutsii vikhrevogo sleda za samoletom v turbulentnoy atmosfere [Mathematical model of the aircraft vortex trail evolution in turbulent atmosphere]. Aeromekhanika i gazovaya dinamika, no. 3, p. 46–55. (in Russian)Вышинский В.В., Судаков Г.Г. Вихревой след самолета в турбулентной атмосфере (физические и математические модели). М.: Издательство ЦАГИ, 2005. 155 с.Vyshinsky, V.V. and Soudakov, G.G. (2005). Vikhrevoy sled samoleta v turbulentnoy atmosfere (fizicheskiye i matematicheskiye modeli) [The vortex trail of an aircraft in a turbulent atmosphere (physical and mathematical models)]. Moscow: Iztelstvo TsAGI, 155 p. (in Russian)Свириденко Ю.Н., Инешин Ю.Л. Применение панельного метода с симметризацией особенностей к расчету обтекания самолета с учетом влияния струй двигателей // Труды ЦАГИ. 1996. № 2622. C. 41–53.Sviridenko, Yu.N. and Ineshin, Yu.L. (1996). Primeneniye panelnogo metoda s simmetrizatsiyey osobennostey k raschetu obtekaniya samoleta s uchetom vliyaniya struy dvigateley [Application of the panel method with symmetrizing of singularities to the calculation of the flow around an aircraft taking into account the influence of engine jets]. Trudy TsAGI, vol. 2622, p. 41–53. (in Russian)Михайлов Ю.С. Моделирование воздействия вихревого следа на модель самолета в аэродинамической трубе // Научный Вестник МГТУ ГА. 2012. № 175. С. 62–69.Mikhailov, Yu.S. (2012). Simulation of the vortex wake effect on aircraft model in wind tunnel. Nauchnyy Vestnik MGTU GA, no. 175, p. 62–69. (in Russian)Mikhailov Yu.S. Vortex wake simulation in a wind tunnel // Trudy TsAGI. 1999. Vol. 2641. P. 197‒203.Mikhailov, Yu.S. (1999). Vortex wake simulation in a wind tunnel. Trudy TsAGI, vol. 2641, p. 197–203.Matveev A.V., Nazarov V.V., Osminin R.I. Experimental study into three-dimensional displacements of a flexible aircraft model under the action of gusts in wind-tunnel flow // Trudy TsAGI. 1999. Vol. 2641. P. 274‒282.Matveev, A.V., Nazarov, V.V. and Osminin, R.I. (1999). Experimental study into three-dimensional displacements of a flexible aircraft model under the action of gusts in wind-tunnel flow. Trudy TsAGI, vol. 2641, p. 274–282.Kraft M. Template – Irkut MS-21 [Электронный ресурс] // 3D Warehouse. URL: https://3dwarehouse.sketchup.com/model/2d7562f5bf2c7f2da1d85548168d6015/Template-Irkut-MS-21-original-by-Saelin-WIP-2mb (дата обращения: 25.01.2021).Kraft, M. Template – Irkut MS-21. 3D Warehouse. Available at: https://3dwarehouse.sketchup.com/model/2d7562f5bf2c7f2da1d85548168d6015/Template-Irkut-MS-21-original-by-Saelin-WIP-2mb (accessed: 25.01.2021).Аубакиров Т.О. Спутные следы и их воздействие на летательные аппараты. Моделирование на ЭВМ / Т.О. Аубакиров, А.И. Желанников, П.Е. Иванов, М.И. Ништ. Алматы, 1999. 230 с.Aubakirov, T.O., Zhelannikov, A.I., Ivanov, P.E. and Nisht, M.I. (1999). Sputnyye sledy i ikh vozdeystviye na letatelnyye apparaty. Modelirovaniye na EVM [Coflowing trails and their influence on aircraft. Computer simulation]. Almaty, 230 p. (in Russian)Weishäupl C., Laschka B. Euler solutions for airfoils in inhomogeneous atmospheric flows // Journal of Aircraft. 2001. Vol. 38, no. 2. P. 257‒265. DOI: 10.2514/2.2783Weishäupl, C. and Laschka, B. (2001). Euler solutions for airfoils in inhomogeneous atmospheric flows. Journal of Aircraft, vol. 38, no. 2, p. 257–265. DOI: 10.2514/2.2783

The authors declare that there are no conflicts of interest present.