动态尾涡间隔计算工具的开发与实现

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1、第40卷第5期2010年9月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．加No．5sep．2010动态尾涡间隔计算工具的开发与实现魏志强(中国民航大学空管学院，天津300300)摘要：基于建立的尾涡消散模型、运动模型、遭遇模型，以Delphi7．O为平台，采用面向对象的设计思想，开发了动态尾涡间隔计算工具，包括前机诱导尾涡流场计算、后机遭遇响应过程分析、安全间隔计算等功能模块。根据输入的飞机参数、气象数据、机场数据，实现对尾涡间隔的实时、高效计算。基于开发的计算工具，以田77—200和聊37—800为前

2、后机进行了验证计算。关键词：交通运输；尾涡间隔；尾涡流场；面向对象中图分类号：V211．4文献标识码：A文章编号：1671．654x(2010)05．0087．04引言飞机在飞行中进入前机所形成的尾涡流场时，在诱导下洗速度作用下，可能会发生倾斜、滚转、失速、急剧俯仰等影响飞行安全的危险情况【lJ。现行的尾流间隔标准是根据飞机结构限制的最大允许起飞重量，将飞机进行分组，然后给出各组飞机之间的最小间隔。它在尽可能避免此类危险的同时也在一定程度上限制了机场和终端区的容量。基于大量飞行试验实测数据和多年的理论研究基础，NASA初步研制成功了尾涡间

3、隔系统(AVOSS)，根据前后机机型参数、运行参数、大气实况和预报参数，每30min动态产生一个飞机间尾流间隔矩阵，供管制员参考。该系统已在达拉斯机场进行了多次验证试验。与现有间隔相比，AVOSS可以有效缩小着陆间隔，提高约6％的机场容量[21；加拿大、比利时、俄罗斯等国的相关研究机构和人员于1993年成立尾涡预测项目团队，开展尾涡间隔系统方面的研究工作，初步建立了自己的消散、运动和遭遇模型和尾涡预报系统的体系结构和尾涡预报系统(VFs)∞]。这些系统和模型都还处在概念研究和实验、验证阶段，尚未形成成熟的、可商业化推广的动态尾涡间隔系统。

4、国内在尾涡间隔方面的研究起步较晚。楼武量、王适存等采用曲涡元技术对飞机尾涡的形成进行了数值模拟【41；罗乖林、王宇等对空中加油机受油管所形成的尾涡问题进行了研究∞1；安崇君，刘长卫对军用飞机在空中紧密编队飞行时，长机的尾流对僚机飞行品质的影响问题进行研究∞o；胡军和徐肖豪提出了滚转比例系数的概念，对遭遇尾涡问题进行了初步分析和研究"J。相对而言，国内相关研究还不成系统，缺少自己的特色与创新，在动态尾涡间隔计算工具方面的研究近乎空白。本文以Delphi7．0为开发平台，基于建立的尾涡形成模型、尾涡消散模型、涡核运动模型、尾涡遭遇与安全间隔模

5、型，采用面向对象的设计思想，开发了动态尾涡间隔计算工具，根据输入的飞机参数、气象数据、机场数据，实现对尾涡安全间隔的实时、高效计算。最后以B777—200和B737—800为例进行了验证计算。1尾涡计算模型简介1．1尾涡形成模型对于尾涡流场中的任意一点而言，前机所形成的翼尖涡的诱导作用可以用两个强度相同、旋转方向相反、间距为S的点涡来表示。流场中点涡诱导速度会相互叠加，形成如图l所示的尾涡流场。点涡的初始强度与飞机重量、飞行速度、机型、载荷因子等有关。从飞机后开始到大约6个翼展的距离，强度基本不变，叫做尾涡的卷起区(起动区)；之后强度开始

6、快速减小。收稿日期：20lO．04·27修订日期：20lO．07．12基金项目：中国民航大学课题(08CAUc—E08)作者简介：魏志强(1979一)，男，河南渑池人，讲师，硕士，研究方向为飞机性能与安全。图l尾涡形成的流场截面图·88·航空计算技术第40卷第5期1．2尾涡消散模型尾涡形成后，两个反向旋转涡相互诱导下沉，在粘性力、大气浮力、重力、湍流的作用下，尾涡的强度开始快速减小¨J。忽略粘性力的影响，则可以建立如下方程：(2印瑶)警：一彬Ⅳ2出一p垫％卫(1)其中6。为左右尾涡涡核的初始间距；』、r为浮力频率；A为尾涡区横截面积；p为

7、大气密度；，为尾涡强度。在地面效应的作用下，尾涡涡核间距会加大，导致尾涡强度迅速减小。因此可以根据尾涡间距的加大程度来判断地面影响的强弱，进而计入地面效应对尾涡消散的影响。1．3涡核运动模型翼尖涡形成后，在无穷远处来流、左右涡的相互诱导和重力、大气层结稳定性的作用下涡核一边向后运动，一边向下运动。随着时间推移，尾涡的间距先基本保持不变，当尾涡消散到一定高度时，间距逐渐加大，当尾涡接近最低下降高度时，间距也基本保持恒定。采用镜像涡方法可以较好反映地面的影响，计算出的涡核高度和速度随时间变化规律如图2所示。2．52．01．51．0O．5葺襄一

8、一L—P’一一＼II一0123456t，￡。图2尾涡高度和间距的变化1．4诱导力矩计算模型在前机尾涡区诱导速度的作用下，会使后机的机翼上的升力大小和分布发生改变，从而使飞机产生绕纵轴转动的诱导