大气风场影响飞机尾涡的数值模拟研究.doc

大气风场影响飞机尾涡的数值模拟研究尾流作为飞机升力的副产物,是影响航空器安全运行,制约终端区空域容量增长的重要因素。关于尾流演化机理研究,过去主要集中于大气湍流度和层结稳定性的作用。近年来,发现大气风场对尾流的耗散行为也具有重要的影响。本文从尾涡耗散特性、水平运动特性、垂向运动特性等多种角度出发,借助雷诺平均数值模拟方法,系统的研究侧向风场对于最后进近航段及决断高度处飞机尾涡的影响,并探讨其影响的物理机制。研究表明,侧风对于尾涡的耗散起促进作用,具体表现为侧风改变涡核与外围流场间的相对速度,促进尾涡涡心涡量的衰减;侧风与尾涡间的融合诱导尾涡触发不稳定性机制,缩短其进入快速衰减阶段的时间,加速尾涡消散。对于近地尾涡,由于存在地效的共同作用影响,侧风还能引发尾涡附近地表边界层分离形成得二次涡旋,围绕主涡做反向缠绕运动,进而诱导尾涡触发不稳定性机制,缩短其进入快速衰减阶段的时间,加速尾涡演化耗散。通过对尾涡水平运动特性分析表明,侧向风场的输运作用能够促使尾涡产生水平位移,且对于不同强度侧风,尾涡的位移范围还存在一定差异。低速侧风仅能将下风涡推出跑道范围,而上风涡受侧风与尾涡诱导作用的影响,会始终停留在跑道区域范围内直至完全消散;高速侧风所表现出强烈输运作用能够有效的将尾涡推出跑道范围,缩短尾涡退出跑道区域的时间,减小前后机的尾流间隔。对于近地尾涡,当风速达到5m/s时,可将重型机的尾流间隔标准在现有基础上缩减35.7%。从尾涡垂向运动特性上看,侧风主要通过加剧涡间诱导作用产生垂向诱导加速度,加速尾涡对的下沉。对于最后进近航段,强侧风有助于尾涡加速下沉至下滑道底部边界外,降低对后续航空器的影响。对于近地阶段,由于地面阻碍作用使得尾涡对发生触地回弹运动,并在侧风的影响下呈现出非对称回弹趋势,具体表现为:侧风抑制上风涡的回弹运动,使得上风涡回弹距离随侧风风速的增加而减小,当风速达到7m/s时（约为4.8倍w₀）,上风涡的回弹运动被完全抑制,回弹距离约等于零;侧风促进下风涡的回弹运动,使得下风涡触地回弹距离随侧风风速的增加而增大,当风速增大到5m/s（约为3.5倍w₀）时,下风涡的回弹距离达到最大值。此后,随着侧风风速的进一步增大,下风涡回弹距离减小,侧风的促进作用逐渐减弱,但下风涡的回弹距离始终高于上风涡。