機(jī)場區(qū)域飛機(jī)污染物排放擴(kuò)散數(shù)值研究

羅浩 匡江紅 呂鴻雁

摘? 要：飛機(jī)在起飛降落過程中會(huì)排放大量的污染物，例如二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物等，這些污染物在機(jī)場區(qū)域的集中排放將導(dǎo)致污染物濃度超標(biāo)，進(jìn)而影響機(jī)場周圍的空氣質(zhì)量，因此有必要對機(jī)場區(qū)域污染物的排放擴(kuò)散情況進(jìn)行研究。目前在機(jī)場區(qū)域大氣環(huán)境評估方面，鮮少采用數(shù)值模擬方法，文章針對機(jī)場區(qū)域飛機(jī)起降循環(huán)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的污染物，采用三維數(shù)值模擬的方法，建立機(jī)場區(qū)域飛機(jī)污染物擴(kuò)散模型，最后通過算例驗(yàn)證了文章提出的數(shù)值模擬方法具有可行性，揭示了機(jī)場區(qū)域飛機(jī)滑行階段飛機(jī)排放源所產(chǎn)生污染物的擴(kuò)散特征。結(jié)果表明：飛機(jī)污染物初始排放濃度很高，但迅速擴(kuò)散，風(fēng)速及風(fēng)向?qū)︼w機(jī)污染物擴(kuò)散影響很大。當(dāng)距離跑道300m位置時(shí)，污染物濃度衰減至很小，說明飛機(jī)污染物從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口排出后，在風(fēng)的作用下快速擴(kuò)散，且不同污染物的濃度值受排放源強(qiáng)影響，即排放源強(qiáng)大，濃度值也越大。

關(guān)鍵詞：機(jī)場區(qū)域;飛機(jī)污染物擴(kuò)散;濃度;數(shù)值模擬

中圖分類號：F560? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Aircraft will emit a lot of pollutants during take-off and landing， such as carbon dioxide， carbon monoxide， nitrogen oxides， etc. The concentrated emission of these pollutants in the airport area will cause the concentration of pollutants to exceed the standard， which will affect the air quality around the airport， so it is necessary research on the emission and diffusion of pollutants in the airport area. At present， numerical simulation methods are rarely used in the air environment assessment of the airport area. This article focuses on the pollutants generated by the combustion of the engine during the take-off and landing cycle of the airport area， and uses the three-dimensional numerical simulation method to establish the aircraft pollutant diffusion model in the airport area. Finally， a calculation example verifies the feasibility of the numerical simulation method proposed in this paper， and reveals the diffusion characteristics of the pollutants generated by the aircraft emission source during the taxiing phase of the airport area. The results show that the initial emission concentration of airplane pollutants is very high， but it spreads rapidly. Wind speed and wind direction have a great influence on the diffusion of airplane pollutants. When the distance from the runway is 300m， the concentration of pollutants decays to a small amount， indicating that the pollutants from the aircraft diffuse rapidly under the action of the wind after they are discharged from the engine exhaust， and the concentration values of different pollutants are strongly affected by the emission source， that is， emission the source is powerful， the greater the concentration value.

Key words： airport area; aircraft pollutant diffusion; concentration; numerical simulation

0? 引? 言

隨著全球航空運(yùn)輸業(yè)的飛速發(fā)展，飛機(jī)作為一種快速有效的出行工具，已成為人們必選的一種交通方式，而飛機(jī)排放對機(jī)場區(qū)域空氣質(zhì)量的影響日益嚴(yán)重。飛機(jī)在起飛和降落過程中會(huì)排放大量的污染物質(zhì)，例如氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）和微小顆粒等，同時(shí)其它機(jī)場源和機(jī)場周邊道路也會(huì)產(chǎn)生大量污染物質(zhì)。這些污染物在機(jī)場區(qū)域的集中排放有可能導(dǎo)致污染物濃度超標(biāo)，將會(huì)對機(jī)場區(qū)域的空氣質(zhì)量及人類的健康造成一定的影響。

為了減少飛機(jī)污染物排放所帶來的濃度超標(biāo)問題，需要進(jìn)行大量研究，并根據(jù)研究成果制定優(yōu)化方案和相關(guān)規(guī)定。王維、郭瑞[1]根據(jù)飛機(jī)排放特點(diǎn)，采用高斯擴(kuò)散模式，對機(jī)場區(qū)域飛機(jī)近地面擴(kuò)散進(jìn)行了研究，得出增大下滑角可減少碳排放量。伯鑫等人[2]采用AERMOD模型進(jìn)行了污染物擴(kuò)散模擬，該模型常用于我國大氣環(huán)評模擬，研究結(jié)果表明，在機(jī)場區(qū)域飛機(jī)排放污染物質(zhì)中NOx濃度貢獻(xiàn)最大。夏卿[3]利用高斯模式，建立機(jī)場區(qū)域飛機(jī)排放擴(kuò)散預(yù)測模型，結(jié)果得出飛機(jī)污染物濃度受到排放量的影響。

從已有文獻(xiàn)看，目前針對機(jī)場區(qū)域飛機(jī)污染物的擴(kuò)散研究多數(shù)采用高斯擴(kuò)散模式，該模式屬于數(shù)學(xué)模擬法，應(yīng)用該模型求解擴(kuò)散問題時(shí)需要考慮很多參數(shù)，且模型忽略了重力和浮力對擴(kuò)散氣體的影響，所以只能對密度接近大氣密度的氣體進(jìn)行研究。高斯模型由于模型簡單而導(dǎo)致了較低的總精度。此外，基于高斯原理已有相對成熟的商業(yè)方案，比如AERMOD模型，但模型對于輸入數(shù)據(jù)要求較為嚴(yán)格且模型復(fù)雜。

為此，本文針對機(jī)場區(qū)域飛機(jī)污染物的擴(kuò)散問題，提出一種數(shù)值模擬法。近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)得到快速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）也應(yīng)運(yùn)而生，目前CFD技術(shù)在大氣污染物遷移擴(kuò)散等方面得到了大量的應(yīng)用。楊志斌、袁德奎[4]基于FLUENT模擬了城市大氣污染物擴(kuò)散過程，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的比對，得出計(jì)算流體力技術(shù)在城市大氣污染物擴(kuò)散領(lǐng)域具有可行性。張金貴等人[5]利用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，結(jié)合湍流模型數(shù)值仿真了公路隧道區(qū)域汽車污染物排放擴(kuò)散問題，研究得出模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果具有較好的吻合度。李磊等人[6]通過建立三維街道峽谷模型，利用FLUENT對街道峽谷內(nèi)的污染狀況進(jìn)行了模擬。但鮮少看到針對機(jī)場區(qū)域飛機(jī)污染物擴(kuò)散的研究，因此本文將采用三維數(shù)值模擬法，基于FLUENT對某機(jī)場飛機(jī)污染物擴(kuò)散問題進(jìn)行研究，并對模擬結(jié)果進(jìn)行分析比較，從而驗(yàn)證該方法在機(jī)場區(qū)域飛機(jī)污染物擴(kuò)散研究方面的合理性。

1? 機(jī)場區(qū)域飛機(jī)污染物排放擴(kuò)散簡介

本文以國內(nèi)某機(jī)場春運(yùn)期間某日起降航班的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)對機(jī)場區(qū)域飛機(jī)污染物擴(kuò)散問題進(jìn)行研究。

1.1? 機(jī)場環(huán)境簡介

機(jī)場為國內(nèi)某機(jī)場，機(jī)場有兩個(gè)航站樓，兩條主跑道，一條主跑道位于東北方向，另一條位于西南方向，其長度均為

3 600m，且相互平行，兩條跑道之間平行間距為2 000m。機(jī)場地理位置較為平坦。機(jī)場平面如圖1所示。

計(jì)算原始數(shù)據(jù)采集當(dāng)日，平均風(fēng)速為3m/s。

1.2? 機(jī)場污染物排放清單

飛機(jī)在機(jī)場區(qū)域的運(yùn)行活動(dòng)可劃分為進(jìn)近、滑行、起飛和爬升四個(gè)階段，其中進(jìn)近階段為4min，滑行26min，起飛0.7min和爬升2.2min[7]。本文以滑行階段為例，模擬計(jì)算機(jī)場區(qū)域飛機(jī)污染物擴(kuò)散及濃度情況。

研究擴(kuò)散問題的前提是建立排放清單，然后進(jìn)行排放量的計(jì)算，再利用計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擴(kuò)散研究。

由于HC、CO、NOx這三種污染物在機(jī)場區(qū)域排放貢獻(xiàn)較大[7]，為機(jī)場主要關(guān)注污染對象，所以研究中將HC、CO、NOx作為污染物預(yù)測因子。本文基于某機(jī)場單日飛機(jī)滑行階段污染物排放量，采用該日排放量最高時(shí)段的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)散研究。當(dāng)日該時(shí)段共起飛航班21架次，著陸航班26架次，按照國際民用航空組織（ICAO）飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)日起降飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)型號，匯總計(jì)算得到飛機(jī)滑行階段污染物排放清單，如表1所示。

2? 建立模型

2.1? 基本假設(shè)

為了方便建立數(shù)學(xué)模型，本文作了以下假設(shè)：

（1）在繁忙時(shí)段，考慮到飛機(jī)的起降循環(huán)活動(dòng)較為密集，假設(shè)飛機(jī)污染物排放為穩(wěn)態(tài)排放，且為連續(xù)排放狀態(tài);

（2）一架民航飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)量為2～4個(gè)，發(fā)動(dòng)機(jī)之間的距離相對于機(jī)場區(qū)域而言很小，當(dāng)飛機(jī)在跑道滑行線路中運(yùn)行并達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，可將飛機(jī)污染物排放視為面排放[8]。所以本文將飛機(jī)滑行階段的污染物排放設(shè)定為面排放;

（3）飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的包含污染物的煙氣和空氣的混合氣體呈理想氣體狀態(tài)，在湍流混合過程中不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。

2.2? 建立物理模型

選取機(jī)場區(qū)域作為數(shù)值模擬對象，模擬研究飛機(jī)尾氣擴(kuò)散分布規(guī)律，采用SOLIDWORKS建模。

根據(jù)機(jī)場跑道分布情況，建立計(jì)算區(qū)域如下：沿跑道方向，長8 000m（x軸），垂直于跑道方向，寬5 000m（z軸），高度方向，高2 000m（y軸）。

飛機(jī)滑行階段污染物排放面源大小和位置根據(jù)研究機(jī)場跑道布局和典型機(jī)型機(jī)翼寬度尺寸確定，滑行階段排放面高度設(shè)置為2m（取典型機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)排放口距地面的距離），寬度取該機(jī)場起降飛機(jī)典型機(jī)型波音738兩臺發(fā)動(dòng)機(jī)之間的間距，為34.5m，長度根據(jù)跑道和停機(jī)坪的位置取值，為6 500m。如圖2所示。

2.3? 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;網(wǎng)格最大尺寸為100m，最小尺寸為2m。為確保計(jì)算結(jié)果達(dá)到收斂，加密污染物面源區(qū)域的網(wǎng)格。

2.4? 數(shù)學(xué)模型選擇

本文主要模擬機(jī)場區(qū)域飛機(jī)起降循環(huán)活動(dòng)中滑行階段所造成的污染物排放擴(kuò)散，采用雷諾平均方程與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，其中雷諾平均方程組包含連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程和輸運(yùn)方程等，公式如下：

=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

=-+μ-ρ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

=D-? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：ρ為密度，為等效壓力，μ為動(dòng)力黏性系數(shù)，D為分子擴(kuò)散系數(shù)。

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。μ在k-ε模型中定義為：μ=ρC，k與ε控制方程如下：

ρku=μ++G-ρε? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

ρεu=μ++CG-Cρ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

各通用常數(shù)的一般取值為C=0.09，C=1.44，C=1.92，σ=1.0，σ=1.33，σ=1.0。

2.5? 邊界條件設(shè)置

飛機(jī)滑行階段向機(jī)場區(qū)域排放包含HC、CO和NOx等污染物在內(nèi)的飛機(jī)尾氣，設(shè)為面源排放，排放面入口采用質(zhì)量入口，HC、CO和NOx的排放源強(qiáng)分別為4.94g/s、44.59g/s和10.80g/s，排放溫度采用滑行階段飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，設(shè)為648.15K;出口采用壓力出口邊界條件，三側(cè)面與頂面設(shè)為壓力出口條件，風(fēng)向側(cè)面采用速度入口條件，速度設(shè)為3m/s，入口全部為空氣，空氣溫度設(shè)為278.15K，地面使用無滑移固壁條件。

3? 算例驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的計(jì)算模型，將模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行比較分析。

在計(jì)算結(jié)果中選取污染物面源入口（滑行道上方2m高度）處初始濃度值與通過實(shí)驗(yàn)測得飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口處的污染物初始濃度進(jìn)行比較，結(jié)果見圖3。

由圖3可見，模擬值與實(shí)測值在同一個(gè)數(shù)量級上，但同一污染物組分濃度值在實(shí)測值與模擬值上存在差異，這是由于實(shí)測值是通過對機(jī)場某一類型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測量得到，而模擬值是機(jī)場所有機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)共同作用的結(jié)果，可能是受不同發(fā)動(dòng)機(jī)型號的影響。

將距離降落跑道300m處近地面擴(kuò)散濃度值與文獻(xiàn)[3]中采用高斯擴(kuò)散模式的預(yù)測值得出距離跑道300m處近地面的擴(kuò)散濃度值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖4。

由模擬結(jié)果可知，因?yàn)樵搮^(qū)域離排放源比較近，因此三種污染物組分近地面區(qū)域污染物濃度比較高，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)三種污染物組分在最大濃度值上，一氧化碳最大，氮氧化物其次，最小的是碳?xì)浠衔铮@是由于飛機(jī)在滑行階段中各污染物組分排放源強(qiáng)不同所致，說明污染物組分濃度受其排放量的影響，且飛機(jī)在滑行階段主要產(chǎn)生的污染物為一氧化碳，這與一些學(xué)者所進(jìn)行的相關(guān)研究[9]得出的結(jié)論相同。

由圖4可見，氮氧化物的模擬值明顯低于高斯模式預(yù)測值，原因如下：文獻(xiàn)[3]中飛機(jī)污染物排放擴(kuò)散情況綜合考慮了進(jìn)近、滑行、起飛和爬升幾個(gè)階段污染物的排放擴(kuò)散情況，所以導(dǎo)致氮氧化物濃度值過高。而本文模擬中僅考慮了滑行階段污染物排放擴(kuò)散情況。根據(jù)國際民用航空組織（ICAO）數(shù)據(jù)庫可知，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛和爬升階段，產(chǎn)生氮氧化物較多，而在滑行和進(jìn)近階段，則產(chǎn)生的一氧化碳會(huì)相對較多。這是因?yàn)樵谄痫w和爬升階段，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在高推力狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度較高，因此氮氧化物生成量較多;而在滑行和進(jìn)近階段，發(fā)動(dòng)機(jī)在低推力狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒不夠充分，因此一氧化碳生成量較多。

在模擬計(jì)算中，只模擬了滑行階段，沒有考慮進(jìn)近、起飛和爬升階段排放擴(kuò)散的影響，因此一氧化碳濃度較高，氮氧化物濃度較低;而在文獻(xiàn)[3]的高斯模式預(yù)測中，則考慮了進(jìn)近、滑行、起飛和爬升幾個(gè)階段的排放情況，所以氮氧化物濃度值較高。

圖5為模擬計(jì)算得到的滑行階段各污染物組分排放總量與擴(kuò)散濃度之間的關(guān)系，從圖5中可以看出各污染物組分濃度值與各污染物組分總排放量在數(shù)值趨勢上基本相同，因此可以近似認(rèn)為各污染物組分總排放量與濃度值成正比關(guān)系。此處濃度值為距離降落跑道300m位置擴(kuò)散濃度值。

圖6為本模擬計(jì)算中排放源各污染物組分排放量占比與文獻(xiàn)[3]中高斯模式預(yù)測排放源各污染物組分占比情況圖。

由圖6可見，模擬計(jì)算中排放源一氧化碳和碳?xì)浠衔锱欧帕勘戎敌∮谖墨I(xiàn)[3]中提供的一氧化碳和碳?xì)浠衔锱欧帕勘戎?，因此受排放量比值影響模擬值可能低于高斯模式預(yù)測值。

由上述分析可見，模擬結(jié)果與實(shí)測值以及按照高斯擴(kuò)散模式的預(yù)測值吻合度較好，說明本文建立的計(jì)算模型是可行的。

4? 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算了風(fēng)速為3m/s，機(jī)場區(qū)域飛機(jī)滑行階段污染物擴(kuò)散問題，并通過截面選取來分析污染物的擴(kuò)散濃度狀況。圖7為機(jī)場區(qū)域滑行道布局圖。

由于機(jī)場區(qū)域飛機(jī)滑行階段會(huì)產(chǎn)生大量的一氧化碳，因此以一氧化碳為例研究風(fēng)對于污染物濃度的擴(kuò)散情況，取滑行道2近地面x-z平面和滑行道1近地面x-z平面上一氧化碳濃度擴(kuò)散等值線圖進(jìn)行分析，如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可見，一氧化碳在風(fēng)速作用下其濃度開始發(fā)生擴(kuò)散，隨著擴(kuò)散距離增加，一氧化碳濃度逐漸減小，因此風(fēng)速會(huì)稀釋降解污染物濃度，則污染物濃度值會(huì)隨著擴(kuò)散距離增加越來越低。

由圖8、圖9可見，當(dāng)跑道與風(fēng)向垂直時(shí)，此時(shí)距離跑道下風(fēng)向100m處濃度值為2.2ppm，當(dāng)風(fēng)向與跑道平行時(shí)，此時(shí)距離跑道下風(fēng)向100m處濃度值為0.3，可以看出風(fēng)向與跑道在不同角度上會(huì)對污染物濃度擴(kuò)散造成不同的影響。這是因?yàn)楫?dāng)跑道與風(fēng)向垂直時(shí)，整個(gè)跑道上的一氧化碳開始沿著下風(fēng)向擴(kuò)散，而當(dāng)跑道與風(fēng)向平行時(shí)，跑道上的一氧化碳在跑道上就已經(jīng)開始擴(kuò)散了。因此風(fēng)向與跑道不同夾角時(shí)可能造成不同的擴(kuò)散情況。

以滑行道1為研究對象，取距離其首300m位置的2-2截面和距離其尾300m位置的1-1截面為考察對象，圖10給出了計(jì)算得到的這兩個(gè)截面上的CO濃度分布云圖。通過對比1-1截面和2-2截面可以發(fā)現(xiàn)，距離滑行道1首部300m處各污染物濃度云圖均為藍(lán)色，即污染物濃度值均為0，而距離滑行道1尾部300m處各污染物組分濃度依然存在。因?yàn)轱w機(jī)污染物擴(kuò)散受風(fēng)向影響，機(jī)場區(qū)域污染物濃度相對污染源位置下風(fēng)向上濃度高于上風(fēng)向，尤其當(dāng)上風(fēng)方向距離達(dá)到一定程度時(shí)，污染物根本不會(huì)進(jìn)入上風(fēng)向區(qū)域，所以該區(qū)域的污染物濃度值為0。因此在機(jī)場區(qū)域相對污染源位置在下風(fēng)方向?qū)儆跐舛任ｋU(xiǎn)區(qū)域。

從圖10看，各污染物組分濃度近地面的擴(kuò)散濃度值最大，這是由于污染物面源接近地面位置而導(dǎo)致地面的污染物濃度值較大。但隨著高度增加，污染物濃度值逐漸衰減，當(dāng)高度達(dá)到一定距離時(shí)，污染物濃度值基本接近于0，即云圖藍(lán)色區(qū)域?yàn)闈舛戎到^對安全區(qū)域。

5? 結(jié)論與展望

（1）本文通過三維數(shù)值模擬預(yù)測機(jī)場區(qū)域飛機(jī)污染物擴(kuò)散情況，得出模擬結(jié)果與實(shí)測值和相關(guān)文獻(xiàn)預(yù)測值具有較好的吻合度，說明本文提出的計(jì)算模型及模擬方法用于機(jī)場污染物的擴(kuò)散研究是可行的。

（2）污染物面源入口初始濃度值較大，說明飛機(jī)污染物從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口噴出濃度較高，但迅速衰減。且當(dāng)擴(kuò)散距離增加時(shí)，污染物濃度值開始逐步降低。同時(shí)風(fēng)向與跑道之間不同的夾角也會(huì)對污染物擴(kuò)散情況造成不同的結(jié)果。

（3）在風(fēng)速和風(fēng)向影響下，飛機(jī)污染物擴(kuò)散趨勢沿著風(fēng)向靠近面擴(kuò)散，且近地面污染物濃度值較大，因此飛機(jī)污染物在滑行階段排放的污染物主要集中在跑道近地面位置。

（4）在通過比較不同污染物在近地面相同擴(kuò)散距離上的濃度值，可以得出各污染物的濃度受排放源強(qiáng)大小影響。

（5）由于本文提出的飛機(jī)污染物擴(kuò)散模型是為了驗(yàn)證該方法的合理性，因此僅采用滑行階段的排放數(shù)據(jù)作為排放源進(jìn)行研究，后續(xù)工作會(huì)綜合考慮機(jī)場區(qū)域飛機(jī)其余階段計(jì)算，從而完善和修正計(jì)算結(jié)果。提高對機(jī)場區(qū)域飛機(jī)污染擴(kuò)散情況的預(yù)測精度。

（6）本文建立的模式雖有一定的模擬能力，但在模擬中還存在不足，如大氣環(huán)境中的風(fēng)速是隨高度發(fā)生變化的。下一步工作，可增加多種工況下的模擬，即各種風(fēng)向、風(fēng)速下的數(shù)值計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行風(fēng)速高度修正，使模式有更強(qiáng)的適用性。

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