Влияние состояния атмосферы на взаимодействие вихревых и конденсационных следов воздушных судов

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.

1. Аубакиров 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Ginevsky A.S., Zhelannikov A.I. Vortex wakes of aircrafts. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 2009. 154 p. DOI: 10.1007/978-3-642-01760-5

6. Winckelmans 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.

7. 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.

8. 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: 10.2514/1.28983

9. Holzapfel F., Steen M. Aircraft wake-vortex evolution in ground proximity: analysis and parameterization // AIAA J. 2007. Vol. 45, no. 1. Pp. 218–227. DOI: 10.2514/1.23917

10. Stephan 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.C034961

11. Barnes 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.2016.320

12. McKenna 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.2017.87

13. Unterstrasser 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.2020.3

14. Stephan 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.C033973

15. Желанников А.И., Замятин А.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015614783 «Расчетно-программный комплекс для системы вихревой безопасности», 2015.

16. Белоцерковский С.М., Ништ М.И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью. М.: Наука, 1978. 277 с.

17. 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.

18. Белоцерковский С.М., Гиневский А.С. Моделирование турбулентных струй и следов на основе метода дискретных вихрей. М.: Физматлит, 1995. 368 с.

19. Вышинский В.В., Судаков Г.Г. Вихревой след самолета в турбулентной атмосфере // Труды ЦАГИ. 2006. Вып. 2667. 155 с.

20. Вышинский В.В., Судаков Г.Г. Вихревой след самолета и вопросы безопасности полетов // Труды МФТИ. 2009. Т. 1, № 3. С. 73–93.

21. 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.

22. 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.

23. 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.