CN113569440A - 一种模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法，属于环境影响评估技术领域，特征在于，采用如下步骤：建立机场区域飞机起降污染物排放清单；根据污染物排放清单计算污染物排放源强及质量分数；确定污染源类型、位置及高度；确定机场区域环境的风速、温度；建立带有飞机起降污染物排放源的机场区域模型；将建立的机场区域模型导入流体仿真软件中进行数值模拟，得出模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的情况。本发明通过建立机场区域飞机起降污染物排放清单和带有飞机起降污染物排放源的机场区域模型，再导入流体计算软件，能够快速、准确计算出机场内区域飞机污染物初始浓度、扩散浓度以及浓度分布情况，模拟效率高，应用前景广泛。

Description

一种模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法
技术领域
本发明属于环境影响评估技术领域，具体涉及一种模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法。
背景技术
随着全球航空运输业的飞速发展，飞机作为一种快速有效的出行工具，已成为人们必选的一种交通方式，而飞机排放对机场区域空气质量的影响日益严重。飞机在起降过程中会排放大量的污染物，例如碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等，这些污染物在机场区域的集中排放将导致污染物浓度超标，进而影响机场周围的空气质量，因此有必要对机场区域污染物的排放扩散情况进行研究。
由于飞机在机场区域活动的特殊性，现场检测飞机起降污染物排放及扩散特征受场地限制，不能接近飞机进行精确的检测，且通过航空公司获取飞机梯队各类飞机排放数据既困难又敏感。同时针对飞机发动机地面运行实验模拟飞机起降活动来研究飞机污染物排放及扩散问题需要投入大量的成本和人力，耗时耗力，且实验研究有害气体扩散规律容易发生意外，对实验人员造成危害。因此对机场区域飞机起降污染物排放扩散进行计算模拟，可高效率、低成本、安全、快速获取机场区域飞机起降污染物的排放扩散特征，为后期机场区域飞机运行优化提供新的理论支持。
目前针对机场区域飞机起降排放污染物扩散方面的计算模拟多数采用高斯扩散模式，该模式是一种经验公式，它是在污染物浓度符合正态分布的前提下提出的，在扩散方程中假设扩散系数为常数而得到其正态分布形式的解，但在实际情况下，实际大气并不满足假设条件，该模式只能作为一种粗略的近似。高斯扩散模式忽略了重力和浮力对扩散气体的影响，所以只能对密度接近大气密度的气体进行研究；高斯扩散模式对物质与物质以及大气之间的化学反应不能进行模拟；高斯扩散模式在模拟中要求平均风速必须大于1m/s，因此该模式无法模拟静风状态下污染物排放扩散情况；针对存在建筑物的污染物扩散问题，高斯扩散模式未考虑湍流效应。同时基于高斯扩散模式的方法只能计算机场空间内各点处的污染物浓度值，不能形象地看到污染物在空间内的浓度扩散分布情况。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种模拟效率高，应用前景广泛的模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的数值模拟方法。
技术方案如下：
一种模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法，特征在于，采用如下步骤：
步骤1：建立机场区域飞机起降污染物排放清单；
步骤2：根据污染物排放清单计算污染物排放源强及质量分数；
步骤3：确定污染源类型、位置及高度；
步骤4：确定机场区域的环境风速、温度；
步骤5：建立带有飞机起降污染物排放源的机场区域模型；
步骤6：将建立的机场区域模型导入流体仿真软件中进行数值模拟，得出模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的情况。
进一步的，步骤1中建立机场区域飞机起降污染物排放清单分为如下步骤：
步骤11：根据机场实际航班数据获取该机场单日飞机起降架次；
步骤12：按照国际民用航空组织(ICAO)飞机发动机排放数据库数据，找出当日起降飞机对应的发动机型号、发动机数量、飞机起降活动中各工况运行时间、燃油油耗及排放因子；
步骤13：按飞机进近、滑行、起飞和爬升阶段分别建立当日每小时飞机起降活动中各污染物排放清单。
进一步的，步骤2中计算污染物排放源强及质量分数的方法为：先选取当日排放量最高时段的排放数据，再通过该时段飞机各工况污染物排放量及油耗情况，计算出各污染物排放源强及质量分数。
进一步的，在步骤3中根据模拟需要确定污染源类型，并假设污染源为连续面源排放，根据机场跑道布局、飞机运行特征及典型机型机翼宽度尺寸确定污染物面源位置及高度。
进一步的，在步骤4中将机场所在城市气象局数据库获取的该日平均风速与平均温度，通过高度修正公式计算出不同高度的风速和温度，作为相应的环境风速、温度。
进一步的，在步骤5中使用Solider works软件与Ansys Workbench Mesh软件通过如下步骤建立机场区域模型：
步骤51：根据飞机起降情况分为进近阶段、滑行阶段、起飞阶段和爬升阶段四个部分；
步骤52：按照国际民用航空组织标准起降循环混合区高度规定，通过夹角与高度值确定进近、起飞及爬升段长度，对每个阶段单独建立排放面源，位置根据机场飞机各阶段运行特点进行布置，并放置在同一个空间域内；
步骤53：机场区域空间大小根据机场实际大小及飞机起降循环情况确定，整体空间计算域在长、宽方向尺寸为机场实际尺寸的2倍，高度为机场区域飞机起降循环混合层高度的2倍以上；
步骤54：对污染物面源区域进行网格加密，网格划分选择非结构化网格，设置边界条件，生成机场区域模型的网格文件。
更进一步的，在步骤52中进近段与地面成一定夹角，起飞段和爬升段的高度逐渐增加且均与地面成不同且逐渐变大的夹角，滑行段排放面源按照滑行道位置进行布置，且位于滑行道上方。
进一步的，步骤6中所述的流体仿真软件为Fluent，在软件中设置重力、控制方程、湍流模型、流体参数、边界条件后对机场区域飞机起降污染物排放扩散进行数值模拟。
有益效果：
1)本发明通过机场实际航班数据、国际民用航空组织数据库建立机场区域飞机起降污染物排放清单，从而获取各类飞机排放数据相对比较容易，实用性强。
2)依据实际航班数据，结合飞机起降各工况情况进行统计汇总，精确度高。
3)通过建立带有飞机起降污染物排放源的机场区域模型，将模型导入计算流体力学软件，设置相关参数进行数值模拟计算，能够快速、准确计算出机场内区域飞机污染物初始浓度、扩散浓度以及浓度分布情况，减少入参，便于操作与开发，模拟效率高，应用前景广泛。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为实施例机场区域排放模型图；
其中：Approach为进近阶段，Taxi为滑行阶段，Take-off为起飞阶段，Climb-out为爬升阶段，wind为风向。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制：
如图1所示一种模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法，特征在于采用如下步骤：
步骤1：建立机场区域飞机起降污染物排放清单；
步骤2：根据污染物排放清单计算污染物排放源强及质量分数；
步骤3：确定污染源类型、位置及高度；
步骤4：确定机场区域的环境风速、温度；
步骤5：建立带有飞机起降污染物排放源的机场区域模型；
步骤6：将建立的机场区域模型导入流体仿真软件中进行数值模拟，得出模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的情况。
步骤1中所述的建立机场区域飞机起降污染物排放清单分为如下步骤：
步骤11：根据机场实际航班数据获取该机场单日飞机起降架次；
步骤12：按照国际民用航空组织飞机发动机排放数据库数据，找出当日起降飞机对应的发动机型号、发动机数量、飞机起降活动中各工况运行时间、燃油油耗及排放因子；
步骤13：按飞机进近、滑行、起飞和爬升阶段分别建立当日每小时飞机起降活动中各污染物排放清单。
步骤2中所述的计算污染物排放源强及质量分数的方法为：先选取当日排放量最高时段的排放数据，再通过该时段飞机各工况污染物排放量及油耗情况，计算出各污染物排放源强及质量分数。
在步骤3中根据模拟需要确定污染源类型，并假设污染源为连续面源排放，根据机场跑道布局、飞机运行特征及典型机型机翼宽度尺寸确定污染物面源位置及高度。
在步骤4中将机场所在城市气象局数据库获取的该日平均风速与平均温度，通过高度修正公式计算出不同高度的风速和温度，作为相应的环境风速、温度。
在步骤5中使用Solider works软件与Ansys Workbench Mesh软件通过如下步骤建立机场区域模型：
步骤51：根据飞机起降情况分为进近阶段、滑行阶段、起飞阶段和爬升阶段四个部分；
步骤52：按照国际民用航空组织标准起降循环混合区高度规定，通过夹角与高度值确定进近、起飞及爬升段长度，对每个阶段单独建立排放面源，位置根据机场飞机各阶段运行特点进行布置，并放置在同一个空间域内；
步骤53：机场区域空间大小根据机场实际大小及飞机起降循环情况确定，整体空间计算域在长、宽方向尺寸为机场实际尺寸的2倍，高度为机场区域飞机起降循环混合层高度的2倍以上；
步骤54：对污染物面源区域进行网格加密，网格划分选择非结构化网格，设置边界条件，生成机场区域模型的网格文件。
在步骤52中进近段与地面成一定夹角，起飞段和爬升段的高度逐渐增加且均与地面成不同且逐渐变大的夹角，滑行段排放面源按照滑行道位置进行布置，且位于滑行道上方。
步骤6中所述的流体仿真软件为Fluent，在软件中设置重力、控制方程、湍流模型、流体参数、边界条件后对机场区域飞机起降污染物排放扩散进行数值模拟。
实施例：根据国内某机场实际情况进行机场区域飞机起降污染物排放扩散的模拟，步骤如下：
根据机场实际航班数据获取该机场单日飞机起降架次，均为306架次，按照国际民用航空组织(ICAO)飞机发动机排放数据库提供的数据，根据当日起降飞机发动机型号、发动机数量、飞机起降活动各工况运行时间、燃油油耗及排放因子，建立该日每小时飞机起降活动(包括飞机进近、滑行、起飞和爬升)中各污染物排放清单；根据飞机起降污染物排放清单，采用该日排放量最高时段的排放数据进行扩散研究。通过该时段飞机各工况污染物排放量及油耗情况，计算出各污染物排放源强及质量分数；考虑飞机起降较频繁，假设污染源为连续面源排放，污染物面源位置及大小按照机场跑道布局、飞机运行特征及典型机型机翼宽度尺寸确定本实施例中机场区域模型为国内某机场，典型机型为波音738；根据机场所在城市气象局数据库获取该日平均风速与平均温度，并可通过高度修正公式求解不同高度的风速-变化情况；还可用公式求解不同高度的温度变化情况，模拟逆温层温度分布，该部分数据通过计算机编程生成风速与温度随高度变化的计算机语言，并借助udf功能实现与Fluent的连接，为模拟不同高度风速及逆温层数值模拟作准备；采用Solider works与Ansys Workbench Mesh软件进行带有飞机起降污染物排放源的机场区域模型的建立。具体地：根据机场跑道分布情况及飞机起降活动运行特点建立机场区域排放模型，该模型排放源根据飞机起降情况分为四个部分，分别为进近阶段、滑行阶段、起飞阶段和爬升阶段，对每个阶段单独建立排放面源，并放置在同一个空间域内。排放面源宽度为34.4m，位置根据机场飞机各阶段运行特点进行布置，其中滑行段排放面源按照滑行道位置进行布置，且位于滑行道上方2m处，进近段的排放面源与地面成3°夹角，进近段高度为915m，起飞段和爬升段的排放面源与地面成9°夹角，起飞段高度为305m，爬升段高度为610m，该计算范围高度按照国际民用航空组织标准起降循环混合区高度规定，可通过夹角与高度值确定进近、起飞及爬升段长度，以此模拟飞机脱离地面的排放扩散情况。机场区域空间大小根据机场实际大小及飞机起降循环情况确定，为保证求解准确性，机场区域排放模型整体空间计算域在长、宽方向尺寸为机场实际尺寸的2倍，高度为机场区域飞机起降循环混合层高度的2倍以上，最终根据带有飞机起降污染物排放源的机场区域模型结构特点，选择网格类型划分网格，网格划分选择非结构化网格，为确保计算结果达到收敛，对污染物面源区域进行网格加密，设置边界条件，导出网格文件；将导出的网格文件导入Fluent软件中；检测网络check，该操作用于检测步骤5中模型建立后网格划分是否正确；根据带有飞机起降污染物排放源的机场区域的真实尺寸设定单位，在Fluent软件中设置重力、控制方程、湍流模型、流体参数、边界条件后进行数值模拟。其中边界条件设置为数值模拟的重点，边界条件包括入口边界的边界类型、出口边界的边界类型和壁面边界的边界类型，本实施例中设置入口边界的边界类型分别为“mass-flow-inlet”、“velocity-inlet”，设置出口边界的边界类型为“pressure-outlet”，设置壁面边界的边界类型为“wall”，飞机各工况污染物排放面源作为质量流量入口，不同飞机运行阶段排放面源分别进行设置，设置参数包括质量流量、温度、各污染物质量分数，该数据通过之前建立的飞机起降污染物排放清单所得，温度根据典型飞机发动机排气温度；机场区域模型风速面采用速度入口，设置参数包括速度、温度、各污染物质量分数，可通过Fluent的udf功能导入风速和温度随着高度变化的计算机程序语言，实现不同高度层风速及逆温层条件下的数值模拟，该数据取自机场所在城市当天平均风速和平均温度，以此模拟计算风对于飞机起降污染物浓度扩散的影响；地面采用壁面边界条件；其余面采用压力出口边界条件，设置参数保持默认；边界条件设置初始表压力为零，设置速度向量为垂直边界面，求解采用稳态计算进行求解，得出模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则和精神之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法，其特征在于：采用如下步骤：
步骤1：建立机场区域飞机起降污染物排放清单；
步骤2：根据污染物排放清单计算污染物排放源强及质量分数；
步骤3：确定污染源类型、位置及高度；
步骤4：确定机场区域的环境风速、温度；
步骤5：建立带有飞机起降污染物排放源的机场区域模型；
步骤6：将建立的机场区域模型导入流体仿真软件中进行数值模拟，得出模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的情况。
2.如权利要求1所述的模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法，其特征在于：步骤1中所述的建立机场区域飞机起降污染物排放清单分为如下步骤：
步骤11：根据机场实际航班数据获取该机场单日飞机起降架次；
步骤12：按照国际民用航空组织飞机发动机排放数据库数据，找出当日起降飞机对应的发动机型号、发动机数量、飞机起降活动中各工况运行时间、燃油油耗及排放因子；
步骤13：按飞机进近、滑行、起飞和爬升阶段分别建立当日每小时飞机起降活动中各污染物排放清单。
3.如权利要求1所述的模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法，其特征在于：步骤2中所述的计算污染物排放源强及质量分数的方法为：先选取当日排放量最高时段的排放数据，再通过该时段飞机各工况污染物排放量及油耗情况，计算出各污染物排放源强及质量分数。
4.如权利要求1所述的模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法，其特征在于：在步骤3中根据模拟需要确定污染源类型，并假设污染源为连续面源排放，根据机场跑道布局、飞机运行特征及典型机型机翼宽度尺寸确定污染物面源位置及高度。
5.如权利要求1所述的模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法，其特征在于：在步骤4中将机场所在城市气象局数据库获取的该日平均风速与平均温度，通过高度修正公式计算出不同高度的风速和温度，作为相应的环境风速、温度。
6.如权利要求1所述的模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法，其特征在于：在步骤5中使用Solider works软件与Ansys Workbench Mesh软件通过如下步骤建立机场区域模型：
步骤51：根据飞机起降情况分为进近阶段、滑行阶段、起飞阶段和爬升阶段四个部分；
步骤52：按照国际民用航空组织标准起降循环混合区高度规定，通过夹角与高度值确定进近、起飞及爬升段长度，对每个阶段单独建立排放面源，位置根据机场飞机各阶段运行特点进行布置，并放置在同一个空间域内；
步骤53：机场区域空间大小根据机场实际大小及飞机起降循环情况确定，整体空间计算域在长、宽方向尺寸为机场实际尺寸的2倍，高度为机场区域飞机起降循环混合层高度的2倍以上；
步骤54：对污染物面源区域进行网格加密，网格划分选择非结构化网格，设置边界条件，生成机场区域模型的网格文件。
7.如权利要求6所述的模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法，其特征在于：在步骤52中进近段与地面成一定夹角，起飞段和爬升段的高度逐渐增加且均与地面成不同且逐渐变大的夹角，滑行段排放面源按照滑行道位置进行布置，且位于滑行道上方。
8.如权利要求1所述的模拟机场区域飞机起降污染物排放扩散的方法，其特征在于：步骤6中所述的流体仿真软件为Fluent，在软件中设置重力、控制方程、湍流模型、流体参数、边界条件后对机场区域飞机起降污染物排放扩散进行数值模拟。
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