Способ формирования модели прогноза образования конденсационных следов самолетов с конкретным типом газотурбинного двигателя с использованием количественных показателей для образования конденсационных следов и возможности снижения влияния эмиссии двигателей на парниковый эффект

Способ формирования модели прогноза образования конденсационных следов самолетов с конкретным типом газотурбинного двигателя с использованием количественных показателей для образования конденсационных следов и возможности снижения влияния эмиссии двигателей на парниковый эффект

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области авиации и экологии и может быть использовано для выявления условий неблагоприятного влияния эмиссии авиадвигателей на изменение климата и разработки способов уменьшения этого влияния.

Современные оценки антропогенных воздействий на окружающую среду показывают, что существенный вклад в загрязнение атмосферы привносит авиация. Продукты сгорания, выделяемые авиационными двигателями, повышают концентрацию углекислого газа, водяного пара, метана, окислов азота и др. и содержат аэрозоли и частицы, которые в свою очередь инициируют образование и развитие перистой облачности. В результате все эти факторы повышают «тепличный» эффект атмосферы. В этом контексте ожидаемое увеличение объема авиационных перевозок может оказать существенное влияние на развитие, протяженность и частоту образования перистой облачности.

Одним из наиболее существенных факторов влияния авиации на образование и развитие перистых облаков являются конденсационные следы (кондследы) самолетов, которые образуются в результате конденсации и замерзания водяного пара, содержащегося в выхлопной струе авиадвигателей. Кондследы образуются на тех же высотах, что и перистые облака, по структуре они близки к ним и их даже называют искусственными перистыми облаками (Cirrus tractus). По оценке начала 1990-х годов площадь, покрываемая кондследами, может быть в среднем порядка 0,1% земной поверхности, но сильно различается по регионам, а к 2050 г. можно ожидать увеличение ее до 0,5%. Ожидаемое увеличение будет происходить вследствие как увеличения объема авиаперевозок, так и повышения КПД авиадвигателей. Но значительно более существенным является то, что при соответствующих метеорологических условиях (повышенная влажность при низких температурах, обычно ниже -40°С) в верхних слоях тропосферы и нижних слоях стратосферы кондследы могут служить запускающим механизмом (эффект «триггера») для образования и особенно для интенсивного развития перистых облаков, существующих вблизи пролегания авиатрассы.

С целью снижения уровня загрязнений, создаваемых авиацией (шум, эмиссия газообразных веществ и аэрозолей) ИКАО рекомендует содействовать внедрению помимо технических также и дополнительных средств и методов (правил, ограничений), способствующих уменьшению вредного воздействия на окружающую среду.

Кондследы образуются при определенном сочетании ряда факторов: давления p и температуры атмосферного воздуха t_нв на соответствующей высоте Н, скорости полета V_ucm, температуры выхлопных газов за турбиной Т_т и за камерой смешения (при ее наличии), коэффициента избытка воздуха α_кс (α_см).

Как известно, процесс образования кондследов описывается принятой в настоящее время гипотезой (моделью) Шмидта - Эплмэна (см. статью Review-articfle автора Schumann U., Meteorol. Zeitschrift, February, 1996), графическая интерпретация которой показана на фиг.1, где е_нв - парциальное давление водяного пара атмосферного воздуха Е_в, Е_л - величины парциального давления насыщенного пара над водой и надо льдом, даны зависимости е_нв, Е_в, Е_л от температуры. Физически в процессе охлаждения смешанной выхлопной струи начинает образовываться КС, когда температура струи понижается до точки росы (точка t^' на фиг.1) и при дальнейшем охлаждении наступает пересыщение паров (над водой), в результате чего выделяется конденсат. Этот процесс продолжается до того момента, когда за счет дальнейшего смешивания струи с окружающим воздухом (разбавления) влажность уменьшается до значения, при котором пересыщение прекращается, несмотря на понижение температуры (точка t^'' на фиг.1). В дальнейшем кондслед продолжает существовать, пока давление пара остается выше давления насыщения надо льдом. При понижении давления пара ниже этого значения кондслед интенсивно испаряется.

Интенсивность образования кондследов и их плотность (так называемая мощность) зависит от величины пересыщения над водой. В свою очередь величина пересыщения зависит в основном от температуры атмосферного воздуха и давления (высоты полета). Угол наклона прямой смешения зависит также от теплофизических характеристик конкретного типа и конструкции авиадвигателя. Таким образом избежать образования устойчивых кондследов практически можно, изменяя высоту полета по трассе. В работе Impact of Cruise Altitude on Contrails, в сборнике публикаций конференции «Proceedings of the AAC - Conference, June 30 to July 3, 2003, Fridrichshafen, Germany» авторов С.Fichter и др. приведены данные по влиянию изменения высоты полета на образование кондследов и соответственно тепловой баланс атмосферы в различные сезоны и в среднем за год. Так, снижение высоты на 6000 футов (1800 м) относительно некоторого базового значения приводит к уменьшению образования кондследов до 80% в июле, до 20% в январе и около 40% в среднем за год; повышение высоты на 2000 футов (600 м) увеличивает образование кондследов на ~25% в июле, мало влияет в январе и на несколько процентов увеличивает в среднем за год. Из этих данных следует, что изменение высоты эшелона может существенно влиять на образование кондследов. Способ определения граничной высоты образования кондследов H_0гр. в работе не указан.

Однако модель Шмидта - Эплмэна и последующие модификации этой модели предполагают равномерное по объему смешение выхлопной струи с атмосферным воздухом. При этом в расчетах принимается полная (заторможенная) температура струи Т^*. Для проверки правомерности описанной модели авторами заявки был выполнен подробный численный газодинамический расчет процесса смешения выхлопной струи с атмосферой на основе решения полной системы уравнений газовой динамики с учетом турбулентного смешения. Результаты расчетов показывают, что градиент изменения влажности смешанной струи (тангенс угла наклона прямой смешения), рассчитываемый по полной температуре, получается существенно заниженным по сравнению с газодинамическим расчетом (прямая 1 на фиг.2). В то же время расчет, выполненный для статической температуры струи, дает существенно завышенное значение градиента (прямая 2 на фиг.2). Практически вполне приемлемая точность получается при расчете градиента для некоторой осредненной температуры смешанной струи Т_см.ср. между и Т_см (прямая 3) - как видно из фигуры, прямая 3 проходит между прямыми 4, полученными для указанного выше точного численного расчета (две прямые 4 получены параметрически для вариации расчетной длины начального участка смешанной струи на 3 калибра сопла в ту и другую стороны).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, содержащийся в патенте №2312379 от 11 января 2006 г. «Способ прогнозирования количественных показателей конденсационных следов, эмитируемых авиационными двигателями, для оценки их соответствия экологически допустимому уровню эмиссии», в котором в крейсерском полете измеряют высоту Н, давление Р, температуру t_нв, парциальное давление водяного пара атмосферного воздуха е_нв, температуру газов за турбиной t_T и частоту вращения проверяемого типа двигателя, вычисляют температурный градиент влажности смешанной выхлопной струи B₀ (тангенс угла наклона прямой смешения). Недостаток способа в том, что при расчетах параметров, определяющих условия образования кондследов: температурного градиента влажности В₀, показателя пересыщения пара h_м, температуры t_м и др. температура смешанной струи принимается как для одномерного процесса смешения, что, как показано выше, может приводить к заниженному значению суммарного показателя пересыщения h_∑, кроме того, не учитывается влияние отклонений температуры атмосферы от МСА и параметров работы двигателей на температуру смешанной струи, т.е. в конечном счете на величину граничной высоты образования устойчивого кондследа H_0гр..

Ожидаемый технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в возможности более достоверного и более точного определения граничной высоты образования устойчивых кондследов для самолета с конкретным типом, конструкцией и схемой расположения газотурбинных двигателей на самолете, что позволит выдать рекомендации для рассматриваемого типа самолета выполнять полеты в диапазоне высот без образования устойчивых конследов, т.е. с минимальным влиянием на образование парникового эффекта.

Для достижения ожидаемого технического результата в способе формирования модели прогноза образования конденсационных следов (КС) самолетов с конкретным типом газотурбинного двигателя с использованием количественных показателей для образования КС и возможности снижения влияния эмиссии двигателей на парниковый эффект, включающем измерение в крейсерском полете самолета с конкретным типом газотурбинного двигателя (ГТД) параметров: высоты H, давления p, температуры наружного воздуха t_нв°С (T_нвК), относительной влажности φ_нв,% атмосферного воздуха, скорости (числа М) полета, полной температуры газа за турбиной низкого давления частоты вращения ротора n - режима работы двигателя, расхода топлива G_T, фиксации наличия или отсутствия образования конденсационных следов (КС), вычисление полной температуры газа за камерой смешения , вычисление температурного градиента влажности смешанной струи газа и атмосферы В_0ср. - тангенса угла наклона «прямой смешения», вычисление парциального давления водяного пара в атмосфере h_нв, Па, вычисление показателя пересыщения влажности при смешении струи газа с «сухой» атмосферой h_м, вычисление количественного показателя суммарного пересыщения пара h_∑=h_м+h_нв, дополнительно вычисляют среднюю температуру смешанной струи Т_см.ср. по результатам расчета с использованием математической модели полей течения при двухмерном смешении струи газа и атмосферы с учетом обтекания мотогондолы двигателя и изменения скорости смешанного потока по длине смешения с дальнейшим осреднением значений Т_см.ср. и φ_нв по сечениям вдоль смешиваемой струи и построением «прямой смешения» струи газа и атмосферы, аналогичной «прямой смешения» при равномерном смешении для турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) с камерой смешения по формуле

- статическая температура газа за камерой смешения двигателя.

Вычисляют температурный градиент влажности в смешанной струе В_0ср. для заданных значений высоты и скорости полета самолета с учетом характеристик конкретного типа двигателя по формуле

M_n - относительная масса паровыделения, равная 0,084 кг/кг, p и T_нв - давление и температура, соответствующие международной стандартной атмосфере (МСА) на расчетной высоте Н, α_см - коэффициент избытка воздуха за камерой смешения задается на основании расчетных характеристик двигателя.

Вычисляют температуру t_м.cp., соответствующую максимальному пересыщению пара в смешанной струе по формуле

Вычисляют для каждой заданной высоты суммарный количественный показатель пересыщения пара по формуле

E(t_м.ср.) - парциальное давление насыщенного пара при температуре t_м.ср.; - парциальное давление пара при температуре t_нв; φ_{нврасч.} - относительная влажность атмосферного воздуха, равная 60%, которая соответствует насыщению надо льдом, что является условием образования устойчивых КС.

По рассчитанным значениям h_∑ для соответствующих заданных высот Н при T_нв=Т_нвМСА строят графическую зависимость h_∑=f(H), затем вычисляют величину граничной высоты образования КС Н_0гр.МСА, которая определяется из условия h_{∑гр.расч.}=0. Затем вычисляют показатель суммарного пересыщения влажности h_∑эксп. Для каждого конкретного эксперимента с учетом замеренных параметров в полете по формулам 1-4 с учетом конкретного типа двигателя определяют граничное значение показателя суммарного пересыщения пара h_{∑гp.эксп.} для конкретного типа двигателя по величине h_∑эксп., рассчитанной при существовании и отсутствии КС. Сравнивают величины показателей h_{∑гр.расч.} и h_{∑гр.эксп.}: при отличии h_{∑гр.эксп.} от h_{∑гр.расч.}=0 уточняют расчет T_см.ср. с учетом особенностей конкретного самолета с конкретным типом двигателя.

Для ТРДД без камеры смешения:

- среднюю температуру смешанной струи Т_см.ср. вычисляют по формуле

m - степень двухконтурности двигателя задается на основании расчетных характеристик двигателя;

температурный градиент влажности в смешанной струе В_0ср. для заданных значений высоты и скорости полета самолета с учетом характеристик конкретного типа двигателя вычисляют по формуле

- α_ТНД - коэффициент избытка воздуха на выходе из турбины низкого давления задается на основании расчетных характеристик двигателя;

- показатель суммарного пересыщения влажности h_∑эксп. для каждого конкретного эксперимента с учетом замеренных параметров в полете вычисляют по формулам 5, 6, 3, 4.

Таким образом, достигают возможности более достоверного и более точного определения граничной высоты образования устойчивых кондследов для самолета с конкретным типом, конструкцией и схемой расположения газотурбинных двигателей и выявляют условия неблагоприятного влияния эмиссии авиадвигателей на изменение климата и разработки способов уменьшения этого влияния.

Предлагаемый способ поясняется чертежами:

на фиг.1 показаны прямые смешения при охлаждении выхлопной струи в атмосфере;

на фиг.2 показано состояние струи в координатах «температура - парциальное давление»;

на фиг.3 - показатель пересыщения пара смешанной струи;

на фиг.4 - представлены результаты эксперимента для определения граничного значения показателя суммарного пересыщения пара;

на фиг.5 - приведена граница образования устойчивых КС.

Способ осуществляется следующим образом.

В крейсерских полетах на различных высотах измеряют давление р, температуру наружного воздуха t_нв°С (Т_нвК), относительную влажность φ_нв,% атмосферного воздуха, скорость (число М) полета, полную температуру газа за турбиной низкого давления частоту вращения ротора n (режим работы двигателя), расход топлива G_T. С использованием этих данных по расчетным характеристикам конкретного двигателя определяют полную температуру газа за камерой смешения , вычисляют среднюю температуру смешанной струи T_см.ср.. Способы вычисления средней температуры струи несколько различаются для ТРДД с камерой и без камеры смешения:

- для турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) с камерой смешения внутреннего и наружного контуров по формуле

- статическая температура газа за камерой смешения двигателя;

- для ТРДД без камеры смешения

m - степень двухконтурности двигателя задается на основании расчетных характеристик двигателя, вычисляют температурный градиент влажности смешанной струи газа и атмосферы B_0ср.

- для ТРДД с камерой смешения по формуле

- для ТРДД без камеры смешения по формуле

М_n - относительная масса паровыделения, равная для применяемого в настоящее время авиатоплива 0,084 кг/кг, р и Т_нв - давление и температура, соответствующие международной стандартной атмосфере (МСА) на расчетной высоте Н, α_ТНД - коэффициент избытка воздуха на выходе из турбины низкого давления задается на основании расчетных характеристик двигателя, α_см - коэффициент избытка воздуха за камерой смешения задается на основании расчетных характеристик двигателя, вычисляют температуру t_м.ср., соответствующую максимальному пересыщению пара в смешанной струе (см. фиг.3) по формуле

вычисляют для каждой заданной высоты суммарный показатель пересыщения пара по формуле

Е(t_м.ср.) - парциальное давление насыщенного пара при температуре t_м.ср., - парциальное давление водяного пара в атмосфере, φ_{нврасч.} - относительная влажность атмосферного воздуха, равная 60%, которая соответствует насыщению надо льдом, что является условием образования устойчивых кондследов, по рассчитанным значениям h_∑ для соответствующих заданных высот Н при температуре, соответствующей МСА, T_нв=Т_нвМСА, строят графическую зависимость h_∑=f(H) и из условия h_{∑гp.расч.}=0 определяют величину граничной высоты образования КС Н_0гр.МСА в условиях стандартной атмосферы, затем вычисляют показатель суммарного пересыщения влажности h_∑эксп., для каждого конкретного эксперимента с учетом замеренных параметров в полете по формулам 1-6 с учетом конкретного типа двигателя, определяют граничное значение показателя суммарного пересыщения пара h_{∑гр.эксп.} для конкретного типа двигателя, сравнивают величины показателей h_{∑гр.расч.} и h_{∑гp.эксп.}: при отличии h_{∑гр.эксп.} от h_{∑гр.расч.} выполняют уточнение Т_см.ср с учетом особенностей конкретного самолета с конкретным типом двигателя.

Пример

Прогнозируется величина показателя суммарного пересыщения, характеризующая условия образования конденсационных следов, при полетах на высотах 8…13 км для оценки граничной высоты образования КС.

На указанных высотах выполнены измерения давления (Р) и температуры (t_нв) атмосферного воздуха, температуры газов за турбиной (t_T), частоты вращения (оборотов) двигателей, расход топлива, парциальное давление пара в окружающем воздухе (e_нв). На основании этих данных и расчетных характеристик данного типа двигателя определены коэффициент избытка воздуха (α_см) и полная температура смешанной струи на срезе сопла двигателя.

Полученные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1
H, км	8,717	10,176	12,644	9,690	10,161	11,352
Наличие КС	есть	есть	есть	нет	нет	нет
Р, кПа	32,051	25,725	17,345	27,71	25,787	21,399
tнв, °C	-50,9	-56,0	-63,9	-48,2	-45,4	-46,9
енв, Па	3,07	1,197	0,49	3,47	1,44	2,58
αсм	19	18,7	12,4	22,66	18,5	11,9
, K	390	387,4	466,2	366,5	398,1	491,9

Вычисляем показатель пересыщения пара в смешанной струе h_∑

где градиент изменения парциального давления пара в смешанной струе (тангенс угла наклона линии смешения) вычисляем по формуле:

где М_n - относительная масса паровыделения, равная 0,084 кг/кг, E_В(t_м) - парциальное давление насыщенного пара над водой при температуре t_м; температуру t_м, соответствующую максимальному пересыщению пара в смешанной струе, определяем по формуле

t_м=9,142·lnB_0ср.-45,57°С.

Зависимость E_В от температуры имеется в справочной и специальной литературе, а также с удовлетворительной точностью аппроксимируется формулой Магнуса

где а=7,63 и в=241,9; Т_см.ср. - средняя температура смешанной струи определяется по формуле

где - статическая температура газа за камерой смешения двигателя, вычисляют температурный градиент влажности в смешанной струе В_0ср. для заданных значений высоты и скорости.

Результаты расчетов сведены в таблицу 2 и представлены на фиг.4.

Таблица 2
H, км	8,717	10,176	12,644	9,690	10,161	11,352
Тсм.ср., K	357	354,7	428,2	334,7	364,3	451,8
B0cp., Па/K	1,66	1,33	0,848	1,48	1,35	1,06
tM, °C	-41,9	-44	-48,3	-42,75	-44	-46,1
h∑, Па	2	4,26	5,9	-2,63	-9,5	-6,45

По результатам эксперимента, представленным на фиг.4, определяют граничное значение показателя суммарного пересыщения пара h_{∑гp.эксп.}. Как видно из фиг.4, h_{∑гр.эксп.}≈0, т.е. конденсационные следы образуются при h_{∑гр.эксп.}>0, при h_{∑гр.эксп.}≤0 - конденсационные следы очень слабые или отсутствуют.

Для определения граничной высоты образования КС выполнен расчет показателей суммарного пересыщения пара h_∑расч. на высотах 9, 10, 11 км по расчетным характеристикам данного двигателя в условиях стандартной атмосферы по формулам 1…3; относительная влажность для расчетов принята равной 60%, что соответствует парциальному давлению пара в окружающем воздухе (е_нв), равному насыщению надо льдом при соответствующей температуре, что является условием образования устойчивых КС.

Полученные данные приведены в таблице 3 и на фиг.5.

Таблица 3
H, км	Р, кПа	tнв, °C	енв, Па	αсм	, K	Тсм.ср., K	B0cp., Па/K	tM, °C	h∑расч., Па
9	30,8	-43	7,8	12,8	472	435	1,52	-42,75	-5,64
10	26,5	-50	3,8	12,7	465	429	1,3	-44,2	-1,21
11	22,7	-56	1,8	12,7	459	424	1,1	-45,9	3,07

Вычисляют величину граничной высоты образования КС Н_0гр.МСА, которая определяется из условия h_{∑гр.расч.}=0, что соответствует границе образования устойчивых конденсационных следов. В данном примере H_0гр.МСА≈10,3 км.

Способ формирования модели прогноза образования конденсационных следов самолетов с конкретным типом газотурбинного двигателя с использованием количественных показателей для образования конденсационных следов и возможности снижения влияния эмиссии двигателей на парниковый эффект, включающий измерение в крейсерском полете самолета с конкретным типом газотурбинного двигателя (ГТД) параметров: высоты Н, давления p, температуры наружного воздуха t_нв°С (Т_нвК), относительной влажности φ_нв, % атмосферного воздуха, скорости (числа М) полета, полной температуры газа за турбиной низкого давления t_тнд°С , частоты вращения ротора n - режима работы двигателя, расхода топлива G_Т, фиксации наличия или отсутствия образования конденсационных следов (КС), вычисление полной температуры газа за камерой смешения , вычисление температурного градиента влажности смешанной струи газа и атмосферы В_0ср - тангенса угла наклона «прямой смешения», вычисление парциального давления водяного пара в атмосфере h_нв, Па, вычисление показателя пересыщения влажности при смешении струи газа с «сухой» атмосферой h_M, вычисление количественного показателя суммарного пересыщения пара h_∑=h_M+h_нв, отличающийся тем, что вычисляют среднюю температуру смешанной струи Т_см.ср по результатам расчета с использованием математической модели полей течения при двухмерном смешении струи газа и атмосферы с учетом обтекания мотогондолы двигателя и изменения скорости смешанного потока по длине смешения с дальнейшим осреднением значений Т_см.ср и φ_нв по сечениям вдоль смешиваемой струи и построением «прямой смешения» струи газа и атмосферы, аналогичной «прямой смешения» при равномерном смешении для турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) в зависимости от наличия или отсутствия камеры смешения:- с камерой смешения по формуле: где - статическая температура газа за камерой смешения двигателя;- без камеры смешения по формуле: где m - степень двухконтурности двигателя задается на основании расчетных характеристик двигателя;вычисляют температурный градиент влажности в смешанной струе В_0ср для заданных значений высоты и скорости полета самолета с учетом характеристик конкретного типа двигателя в зависимости от наличия или отсутствия камеры смешения:- с камерой смешения по формуле: где М_n - относительная масса паровыделения, равная 0,084 кг/кг, p и Т_нв - давление и температура, соответствующие международной стандартной атмосфере (МСА) на расчетной высоте Н, α_см - коэффициент избытка воздуха за камерой смешения задается на основании расчетных характеристик двигателя;- без камеры смешения по формуле: где α_тнд - коэффициент избытка воздуха на выходе из турбины низкого давления задается на основании расчетных характеристик двигателя;вычисляют температуру t_см.ср, соответствующую максимальному пересыщению пара в смешанной струе по формуле: вычисляют для каждой заданной высоты суммарный количественный показатель пересыщения пара по формуле: где Е(t_см.ср) - парциальное давление насыщенного пара при температуре t_см.ср; - парциальное давление пара при температуре t_нв; φ_{нв.расч} - относительная влажность атмосферного воздуха, равная 60%, которая соответствует насыщению надо льдом, что является условием образования устойчивых КС;по рассчитанным значениям h_∑ для соответствующих заданных высот H при Т_нв=Т_нв.МСА строят графическую зависимость h_∑=f(H), затем вычисляют величину граничной высоты образования КС Н_0гр.МСА, которая определяется из условия h_{∑гр.расч}=0, затем вычисляют показатель суммарного пересыщения влажности h_∑эксп для каждого конкретного эксперимента с учетом замеренных параметров в полете по формулам 1-4 с учетом конкретного типа двигателя, определяют граничное значение показателя суммарного пересыщения пара h_{∑гр.эксп} для конкретного типа двигателя по величине h_∑эксп, рассчитанной при существовании и отсутствии КС, сравнивают величины показателей h_{∑гр.расч} и h_{∑гр.эксп}: при отличии h_{∑гр.эксп} от h_{∑гр.расч}=0 уточняют расчет Т_см.ср с учетом особенностей конкретного самолета с конкретным типом двигателя.