Обтекание горного ландшафта в окрестности аэропорта Дананг атмосферным ветром и вопросы безопасности полета

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.

1. Барри Г. Погода и климат в горах. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 310 с.

2. Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1970. 292 c.

3. Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1970. 340 с.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Матвеев Л.Т. Динамика облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 321 c.

8. 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: 10.2514/6.1973-511

9. Жигулев В.Н. Динамика неустойчивостей. М.: Изд-во МФТИ, 1996. 344 с.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. 616 с.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Вышинский В.В., Судаков Г.Г. Вихревой след самолета в турбулентной атмосфере (физические и математические модели). М.: Издательство ЦАГИ, 2005. 155 с.

18. 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.

19. Михайлов Ю.С. Моделирование воздействия вихревого следа на модель самолета в аэродинамической трубе // Научный Вестник МГТУ ГА. 2012. № 175. С. 62–69.

20. Mikhailov Yu.S. Vortex wake simulation in a wind tunnel // Trudy TsAGI. 1999. Vol. 2641. P. 197‒203.

21. 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.

22. 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).

23. 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.

24. Weishäupl C., Laschka B. Euler solutions for airfoils in inhomogeneous atmospheric flows // Journal of Aircraft. 2001. Vol. 38, no. 2. P. 257‒265. DOI: 10.2514/2.2783