Исследование влияния смещения двигателя по крылу воздушного судна на распространение конденсационного следа

Публикацией данной статьи авторы продолжают исследования взаимодействия вихревого и конденсационного следов за воздушными судами, начатые в ранее опубликованных статьях в «Научном Вестнике МГТУ ГА». В данной работе приводятся результаты исследования влияния смещения двигателя по крылу самолета А-320 на развитие и распространение конденсационного следа. Напомним, что 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. Было замечено, что смещение двигателя по крылу ближе к фюзеляжу или, наоборот, дальше от фюзеляжа влияет на развитие и распространение конденсационного следа. Поэтому при формировании аэродинамической компоновки будущего самолета конструкторам надо учитывать и этот аспект. Дело в том, что вихревой след, образующийся за воздушным судном, по-разному воздействует на конденсационный след в зависимости от близости двигателя к вихрям, сходящим с планера самолета. Заметим, что вихревой след – это область возмущенного воздушного потока за самолетом, образующаяся в результате его движения. Конденсационный след, взаимодействуя с вихревым, рассеивается в атмосфере, а вещества, входящие в состав конденсационного следа, теряют свою 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 работе для исследования влияния смещения двигателя по крылу самолета А-320 на развитие и распространение конденсационного следа 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. Получены результаты, которые позволяют понять, как влияет смещение двигателя по крылу самолета А-320 на развитие и распространение конденсационного следа.

1. Zhelannikov A.I., Zamyatin A.N., Chinyuchin Yu.M. Impact of the atmosphere state on interaction of aircraft vortex and condensation trails // Научный Вестник МГТУ ГА. 2022. Т. 25, № 2. С. 70–79. DOI:10.26467/2079-0619-2022-25-2-70-80

2. 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.

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

4. 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.

5. 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.

6. 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

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

8. 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

9. Barnes C.J., Visbal M.R., Huang P.G. On the effects of vertical offset and core structure in stream wise oriented vortex–wing interactions // Journal of Fluid Mechanics. 2016. Vol. 799. Pp. 128–158. DOI:10.1017/jfm.2016.320

10. 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

11. 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

12. 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

13. Желанников А.И., Замятин А.Н. Расчетно-программный комплекс для системы вихревой безопасности. Патент № 2015614783 РФ, опубл. 28.04.2015.

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

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

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

17. 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.

18. 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.

19. 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.

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