Особенности распространения вихревого следа за воздушными судами с винтами

В статье приводятся результаты исследования характеристик вихревого следа за воздушными судами с турбовинтовыми двигателями. На примере самолета Ан-12 показано, что вращающиеся винты вносят заметный вклад в распространение вихревого следа за самолетом. Это доказывают и некоторые исследования, а также многочисленные наблюдения. Также описывается методика для исследования вихревого следа за воздушными судами с винтами. В основе методики лежит метод дискретных вихрей. Актуальность таких исследований обусловлена возрастающим интересом компаний-перевозчиков к воздушным судам с турбовинтовыми двигателями. Доказано, что при перевозках пассажиров и грузов на таких судах на расстояния 700–800 км затраты по обслуживанию и на топливо сокращаются примерно на 30–40 %. Поэтому до сих пор сохранен парк турбовинтовых самолетов, таких как Ан-22, Ан-70, Ан-12, а также Ту-95, Ил-38, С-130 и др. Разрабатываются и вводятся в эксплуатацию новые турбовинтовые самолеты: А-400М, Ил-114, Ил-112М. Вихревой след за такими самолетами также представляет опасность для других, летящих следом самолетов. Особенностью распространения вихревого следа за самолетами с винтами является взаимодействие вихрей, сходящих с планера самолета и вихрей от винтов. В результате из-за вращения всех винтов в одну сторону нарушается симметрия в распространении вихрей, сходящих с правой и левой половин крыла. Поэтому важно понимать, насколько по-разному ведут себя вихри, сходящие с планера самолета с турбовинтовыми двигателями. Для удобства исследования методика учета влияния вихрей от винтов интегрирована в специальный расчетно-программный комплекс, базирующийся также на методе дискретных вихрей. В нем при расчете характеристик вихревого следа учитываются полетный вес, скорость и высота полета самолета, его полетная конфигурация, атмосферные условия, близость земли, 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 по нему результатов. Приводятся результаты исследования характеристик вихревого следа за самолетом Ан-12 в виде спектров вертикальной скорости и полей возмущенных скоростей на различных удалениях от него. Показано, что воздушные винты заметно влияют на распространение вихревого следа за турбовинтовыми самолетами. Это обстоятельство необходимо учитывать экипажам воздушных судов, летящих следом за такими самолетами.

1. Головнев И.Г., Лапшин К.В. Бортовая система измерений воздушных данных как основа для оповещения ЛА о вхождении его в вихревое образование от другого ЛА // Навигация, наведение и управление летательными аппаратами: сборник тезисов докладов третьей Всероссийской научно-технической конференции, Москва, 21–22 сентября 2017 г. ГНЦ РФ ФГУП «ГосНИИАС». М.: Научтехлитиздат, 2017. С. 219–220.

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

3. 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.

4. 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.

5. 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 (23). С. 3–12.

6. Хаустов А.А. Модель эволюции спутного следа воздушного судна при полете на крейсерском режиме // Научный Вестник МГТУ ГА. 2012. № 184. С. 118–122.

7. 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

8. Speijker L. ATC-Wake: Integrated wake vortex safety and capacity system / L. Speijker, A. Vidal, F. Barbaresco, M. Frech, H. Barny, G. Winckelmans // Journal Air Traffic Control. 2007. Vol. 49, no. 1. Pp. 17–32.

9. Gillis T. A 2D immersed interface Vortex Particle-Mesh method / T. Gillis, I. Marichal, G. Winkelmans, F. Chatelain // Journal of Computational Physics. 2019. Vol. 394. Pp. 700–718. DOI: 10.1016/j.jcp.2019.05.033

10. 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

11. 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

12. Ginevsky A.S., Zhelannikov A.I. Vortex wakes of aircrafts. Springer Berlin, Heidelberg, 2009. 154 p. DOI: 10.1007/978-3-64201760-5

13. Гуляев В.В. Математическая модель дальнего вихревого следа за самолетами с воздушными винтами / В.В. Гуляев, А.И. Желанников, Д.В. Морошкин, С.А. Ушаков // Научный Вестник МГТУ ГА. 2007. № 111. С. 21–27.

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

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

16. 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.

17. Сетуха А.В. О лагранжевом описании трехмерных течений вязкой жидкости при больших значениях числа Рейнольдса // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2020. Т. 60, № 2. С. 297–322. DOI: 10.31857/S004446692002012X

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

19. 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

20. 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

21. Winckelmans G. Experimental and numerical study of counter-rotating vortex pair dynamics in ground defect / G. Winckelmans, C. Cottin, G. Daeninck, T. Leweke // In: 18th Congress Français de Mécanique. Grenoble, France, 27–31 August 2007. Pp. 28–33.

22. 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 // In: Proceedings 5th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP-5). Garching, Germany, 27–29 August 2007. Vol. 1. Pp. 327–331.

23. 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

24. Holzapfel F., Steen M. Aircraft wakevortex evolution in ground proximity: analysis and parameterization // Aeronautics i Astronautics Journal. 2007. Vol. 45, no. 1. Pp. 218–227. DOI: 10.2514/1.23917

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

26. Grigorev M.A., Zamyatin A.N., Rogozin V. Airflow visualization during research of large scale vortex flows // In: ICAS 2016. 30th Congress of the International Council of the Aeronautical Science in Daejeon. Korea, September 2016. Pp. 1–7.

27. Grigorev M.A., Zamyatin A.N. Experimental and theoretical investigations of large scale vortex flows // In: ICVFM 2016. 7th International Conference on Vortex Flows and Vortex Models. Rostock, Germany, 19–22 September 2016. Pp. 98–99.