cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2022-25-2-70-80caht-1987Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGВлияние состояния атмосферы на взаимодействие вихревых и конденсационных следов воздушных судовImpact of the atmosphere state on interaction of aircraft vortex and condensation trailsЖеланниковА. И.ZhelannikovA. I.

Желанников Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник

г. Жуковский

Alexander I. Zhelannikov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Researcher

Zhukovsky

zhelannikov@yandex.ruЗамятинА. Н.ZamyatinA. N.

Замятин Андрей Николаевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, начальник отделения

г. Жуковский

Andrey N. Zamyatin, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, the Head of the Department

Zhukovsky

frizamyatin@mail.ruЧинючинЮ. М.ChinyuchinYu. M.

Чинючин Юрий Михайлович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технической эксплуатации летательных аппаратов и авиационных двигателей

г. Москва

Yuri M. Chinyuchin, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Aircraft and Aviation Engines Technical Maintenance Chair

Moscow

yu.chinyuchin@mstuca.aeroЦентральный аэрогидродинамический институт имени проф. Н. Е. ЖуковскогоРоссияCentral Aerohydrodynamic InstituteRussian FederationЛетно-испытательный институт имени М. М. ГромоваРоссияGromov Flight Research InstituteRussian FederationМосковский государственный технический университет гражданской авиацииРоссияMoscow State Technical University of Civil AviationRussian Federation2022020520222527080Copyright © Желанников А.И., Замятин А.Н., Чинючин Ю.М., 20222022Желанников А.И., Замятин А.Н., Чинючин Ю.М.Zhelannikov A.I., Zamyatin A.N., Chinyuchin Y.M.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/1987

В настоящее время много внимания уделяется экологическим проблемам. Данная работа не исключение. Она посвящена проблеме распространения и взаимодействия вихревых и конденсационных следов, образующихся за воздушными судами при полете в атмосфере в зависимости от ее состояния. Вихревой след – это область возмущенного воздушного потока за самолетом, образующаяся в результате его движения. Конденсационный след является продуктом сгорания авиационного топлива в двигателе и представляет собой сконденсированную влагу в виде ледяных кристаллов, которая образуется при определенных состояниях атмосферы. Как показали многочисленные исследования и наблюдения, конденсационные следы могут влиять на теплообменные процессы в атмосфере и, способствуя парниковому эффекту, ухудшать экологию. Особенно это актуально для местности, где проходят многочисленные воздушные транзитные трассы воздушных судов. Поэтому важно понимать, за какими воздушными судами конденсационный след, взаимодействуя с вихревым, рассеивается в атмосфере, а вещества, входящие в состав конденсационного следа, теряют свою концентрацию. И, наоборот, за какими воздушными судами конденсационный след долго не рассеивается, а вещества, входящие в состав конденсационного следа, длительное время сохраняют концентрацию. Отметим также, что конденсационный след, взаимодействуя с вихревым следом, может выявлять его структуру, а также визуализировать процессы распространения и затухания вихревого следа. В данной статье для исследования взаимодействия конденсационных и вихревых следов был использован специальный расчетно-программный комплекс, базирующийся на методе дискретных вихрей. В нем при расчете характеристик вихревого следа учитываются полетный вес, скорость и высота полета самолета, его полетная конфигурация, атмосферные условия, осевая скорость в ядре вихря и некоторые другие факторы. Этот комплекс прошел необходимую апробацию и государственную регистрацию. Был выполнен ряд мероприятий по валидации и верификации разработанного комплекса, подтверждающих работоспособность программ, входящих в него, и достоверность получаемых результатов. В данной статье в качестве объектов исследования были выбраны воздушные суда А-320 и А-380. Режим полета и атмосферные условия для всех самолетов выбраны одни и те же. Получены результаты, которые позволяют понять, как влияют атмосферные условия на распространение конденсационных следов за воздушными судами разного класса при условии их взаимодействия с вихревыми следами.

Currently, much emphasis is given to the environmental problems. This article is not an exception. It is devoted to the issue of propagation and interaction of vortex and condensation trails that form behind aircraft when flying in the atmosphere, depending on its state. A vortex trail is an area of disturbed air flow behind an aircraft formed as a result of its motion. A condensation trail is a product of the aviation fuel combustion in the engine and represents condensed moisture in the form of ice crystals, which is generated under certain ambient conditions. As the numerous studies and observations have shown, condensation trails can affect the heat exchange processes in the atmosphere, contributing to the greenhouse effect, deteriorate the environment. It is especially relevant for the area where numerous transitional airways pass. Therefore, it is essential to understand behind what aircraft type the condensation trail, interacting with the vortex one, dissipates in the atmosphere, and the substances composing the condensation trail lose their concentration. And on the contrary, behind what aircraft type the condensation trail does not dissipate for a long term, and the substances, composing the contrail, retain concentration for a long time. It should also be noted that the contrail, while interacting with the vortex wake, can reveal its structure and visualize the processes of propagation and attenuation of the vortex wake. This paper uses a special computational software application, based on the discrete vortex method, to study the interaction of condensation and vortex trails. It considers the flight weight, aircraft speed and altitude, its in-flight configuration, atmospheric conditions, axial velocity in the vortex core and some other factors, when calculating the vortex wake performance. This complex passed the required testing and state registration. Several procedures were executed to validate and verify the developed complex, confirming its program efficiency and the reliability of the results obtained. The Airbus A320 and A380 were selected as the research object of this article. The flight mode and atmospheric conditions are similar for all aircraft. The results obtained allow us to understand how atmospheric conditions affect the propagation of contrails behind aircraft of different classes, provided their interaction with vortex trails.

экологияконденсационный следвихревой следвоздушное судновзаимодействие следовконцентрацияecologycondensation trailvortex wakeaircraftinteraction of trailsconcentrationReferencesАубакиров Т.О. Моделирование взаимодействия конденсационного и вихревого следов за воздушными судами / Т.О. Аубакиров, В.Т. Дедеш, А.И. Желанников, А.Н. Замятин // Научный Вестник МГТУ ГА. 2015. № 212 (2). С. 5–10.Aubakirov, T.O., Dedesh, V.T., Zhelannikov, A.I. & Zamyatin, A.N. (2015). Simulation of aircraft condensation trails and wake vortices interaction. Nauchnyy Vestnik MGTU GA, no. 212, pp. 5–10. (in Russian)Grigorev M.A., Zamyatin A.N. Wake vortices and condensation trails from wide-body aircraft and their interaction // 14th China-Russia Conference on Fundamental Problem of Aircraft Aerodynamics, Flight Dynamics, Strength and Flight Safety. Shenyang China, 15–16 September 2015. Pp. 11–17.Grigorev, M.A. & Zamyatin, A.N. (2015). Wake vortices and condensation trails from wide-body aircraft and their interaction. 14th China-Russia Conference on Fundamental Problem of Air-craft Aerodynamics, Flight Dynamics, Strength and Flight Safety. Shenyang China, pp. 11–17.Grigorev M.A., Zamyatin A.N. Experimental and theoretical investigations of large scale vortex flows // ICVFM 2016. 7th International Conference on Vortex Flows and Vortex Models. Rostock, Germany, 19–22 September 2016. Pp. 98–99.Grigorev, M.A. & Zamyatin, A.N. (2016). Experimental and theoretical investigations of large scale vortex flows. ICVFM 2016, 7th International Conference on Vortex Flows and Vortex Models. Rostock, Germany, pp. 98–99.Grigorev M.A., Zamyatin A.N., Rogozin V. Airflow visualization during research of large scale vortex flows // ICAS 2016. 30th Congress of the International Council of the Aeronautical Science in Daejeon. Korea, September 2016. Pp. 1–7.Grigorev, M.A., Zamyatin, A.N. & Rogozin, V. (2016). Airflow visualization during research of large scale vortex flows. ICAS 2016, 30th Congress of the International Council of the Aeronautical Science in Daejeon, Korea, pp. 1–7.Ginevsky A.S., Zhelannikov A.I. Vortex wakes of aircrafts. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 2009. 154 p. DOI: 10.1007/978-3-642-01760-5Ginevsky, A.S. & Zhelannikov, A.I. (2009). Vortex wakes of aircrafts. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 154 p. DOI: 10.1007/978-3-642-01760-5Winckelmans G. Experimental and numerical study of counter-rotating vortex pair dynamics in ground defect / G. Winckelmans, C. Cottin, G. Daeninck, T. Leweke // 18th Congress Français de Mécanique. Grenoble, France, 27–31 August 2007. Pp. 28–33.Winckelmans, G., Cottin, C., Daeninck, G. & Leweke, T. (2007). Experimental and numerical study of counter-rotating vortex pair dynamics in ground defect. 18th Congress Français de Mécanique, pp. 28–33.Winckelmans G. Assessment of multiscale models for LES: spectral behavior in very high Reynolds number turbulence and cases with aircraft wakes vortices / G. Winckelmans, L. Bricteux, R. Cocle, M. Duponcheel, L. Georges // Proceedings 5th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP-5). Garching, Germany, 27–29 August 2007. Vol. 1. Pp. 327–331.Winckelmans, G., Bricteux, L., Cocle, R., Duponcheel, M. & Georges, L. (2007). Assessment of multiscale models for LES: spectral behavior in very high Reynolds number turbulence and cases with aircraft wakes vortices. Proceedings 5th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP-5), Garching, Germany, vol. 1, pp. 327–331.Frech M., Holzapfel F. Skill of an aircraft wake-vortex model using weather prediction and observation // Journal of Aircraft. 2008. Vol. 45, no. 2. Pp. 461–470. DOI: 10.2514/1.28983Frech, M. & Holzapfel, F. (2008). Skill of an aircraft wake-vortex model using weather prediction and observation. Journal of Aircraft, vol. 45, no. 2, pp. 461–470. DOI: 10.2514/1.28983Holzapfel F., Steen M. Aircraft wake-vortex evolution in ground proximity: analysis and parameterization // AIAA J. 2007. Vol. 45, no. 1. Pp. 218–227. DOI: 10.2514/1.23917Holzapfel, F. & Steen, M. (2007). Aircraft Wake-Vortex Evolution in Ground Proximity: Analysis and parameterization. AIAA J, vol. 45, no. 1, pp. 218–227. DOI: 10.2514/1.23917Stephan A. Effects of detailed aircraft geometry on wake vortex dynamics during landing / A. Stephan, D. Rohlmann, F. Holzäpfel, R. Rudnik // Journal of Aircraft. 2019. Vol. 56, no. 3. Pp. 974–989. DOI: 10.2514/1.C034961Stephan, A., Rohlmann, D., Holzäpfel, F. & Rudnik, R. (2019). Effects of detailed geometry on aircraft wake vortex dynamics during landing. Journal of Aircraft, vol. 56, no. 3, pp. 974–989. DOI: 10.2514/1.C034961Barnes C.J., Visbal M.R., Huang P.G. On the effects of vertical offset and core structure in streamwise-oriented vortex-wing interactions // Journal of Fluid Mechanics. 2016. Vol. 799. Pp. 128–158. DOI: 10.1017/jfm.2016.320Barnes, C.J., Visbal, M.R. & Huang, P.G. (2016). On the effects of vertical offset and core structure in streamwise-oriented vortex-wing interactions. Journal of Fluid Mechanics, vol. 799, pp. 128–158. DOI: 10.1017/jfm.2016.320McKenna C., Bross M., Rockwell D. Structure of a stream wise oriented vortex incident upon a wing // Journal of Fluid Mechanics. 2017. Vol. 816. Pp. 306–330. DOI: 10.1017/jfm.2017.87McKenna, C., Bross, M. & Rock-well, D. (2017). Structure of a stream wise oriented vortex incident upon a wing. Journal of Fluid Mechanics, vol. 816, pp. 306–330. DOI: 10.1017/jfm.2017.87Unterstrasser S., Stephan A. Far field wake vortex evolution of two aircraft formation flight and implications on young contrails // The Aeronautical Journal. 2020. Vol. 124, iss. 1275. Pp. 667–702. DOI: 10.1017/aer.2020.3Unterstrasser, S & Stephan, A. (2021). Far field wake vortex evolution of two aircraft formation flight and implications on young contrails. The Aeronautical Journal, vol. 124, issue 1275, pp. 667–702. DOI: 10.1017/aer.2020.3Stephan A., Schrall J., Holzäpfel F. Numerical optimization of plate-line design for enhanced wake-vortex decay // Journal Aircraft. 2017. Vol. 54, no. 3. Pp. 995–1010. DOI: 10.2514/1.C033973Stephan, A., Schrall, J. & Holzäpfel, F. (2017). Numerical optimization of plate-line design for enhanced wake-vortex decay. Journal Aircraft, vol. 54, no. 3, pp. 995–1010. DOI: 10.2514/1.C033973Желанников А.И., Замятин А.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015614783 «Расчетно-программный комплекс для системы вихревой безопасности», 2015.Zhelannikov, A.I. & Zamyatin, A.N. (2015). The certificate of state registration of program for computer № 2015614783 "Design-a software package for the system of vortex-Reva security".Белоцерковский С.М., Ништ М.И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью. М.: Наука, 1978. 277 с.Belotserkovsky, S.M. & Nisht, M.I. (1978). Separation and non-separation flow of thin wings with an ideal liquid. Moscow: Nauka, 277 p. (in Russian)Аубакиров Т.О. Нелинейная теория крыла и ее приложения / Т.О. Аубакиров, С.М. Белоцерковский, А.И. Желанников, М.И. Ништ. Алматы: Гылым, 1997. 448 с.Aubakirov, T.O., Belotserkovsky, S.M., Zhelannikov, A.I. & Nisht, M.I. (1997). Nonlinear theory of the wing and its applications. Almaty: Gylym, 448 p. (in Russian)Белоцерковский С.М., Гиневский А.С. Моделирование турбулентных струй и следов на основе метода дискретных вихрей. М.: Физматлит, 1995. 368 с.Belotserkovsky, S.M. & Ginevsky, A.S. (1995). Modeling of turbulent jets and traces based on the discrete vortex method. Moscow: Fizmatlit, 1995. 368 p. (in Russian)Вышинский В.В., Судаков Г.Г. Вихревой след самолета в турбулентной атмосфере // Труды ЦАГИ. 2006. Вып. 2667. 155 с.Vyshinsky, V.V. & Sudakov, G.G. (2006). Vortex trace of an airplane in a turbulent atmosphere. Trudy TsAGI, issue 2667, 155 p. (in Russian)Вышинский В.В., Судаков Г.Г. Вихревой след самолета и вопросы безопасности полетов // Труды МФТИ. 2009. Т. 1, № 3. С. 73–93.Vyshinsky, V.V. & Sudakov, G.G. (2009). The vortex track of the aircraft and flight safety issues. Proceedings of Moscow Institute of Physics and Technology, vol. 1, no. 3, pp. 73–93. (in Russian)Анимица О.В. Моделирование на пилотажном стенде дозаправки самолета в полете / О.В. Анимица, А.М. Гайфуллин, А.А. Рыжов, Ю.Н. Свириденко // Труды МФТИ. 2015. Т. 7, № 1. С. 3–15.Animitsa, O.V., Gaifullin, A.M., Ryzhov, A.A. & Sviridenko, Yu.N. (2015). Modeling on the pilot stand of refueling an air-plane in flight. Proceedings of Moscow Institute of Physics and Technology, vol. 7, no. 1, pp. 3–15. (in Russian)Босняков И.С., Судаков Г.Г. Моделирование разрушения вихревого следа за пассажирским самолетом с помощью методов вычислительной аэродинамики // Труды ЦАГИ. 2013. Вып. 2730. С. 3–12.Bosnyakov, I.S. & Sudakov, G.G. (2013). Modeling the destruction of a vortex wake behind a passenger plane using computational aerodynamics methods. Trudy TsAGI, issue 2730, pp. 3–12. (in Russian)Апаринов В.А., Дворак А.В. Метод дискретных вихрей с замкнутыми вихревыми рамками // Труды ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского. 1986. Вып. 1313. С. 424–432.Aparinov, V.A. & Dvorak, A.V. (1986). The method of discrete vortices with closed vortex frames. Trudy VVIA im. Prof. N.E. Zhukovskogo, issue 1313, pp. 424–432. (in Russian)

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