机场区域飞机污染物排放扩散数值研究

2021-09-18罗浩匡江红吕鸿雁

物流科技 2021年8期

罗浩匡江红吕鸿雁

摘要：飞机在起飞降落过程中会排放大量的污染物，例如二氧化碳、一氧化碳、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。目前在机场区域大气环境评估方面，鲜少采用数值模拟方法，文章针对机场区域飞机起降循环过程中发动机燃烧产生的污染物，采用三维数值模拟的方法，建立机场区域飞机污染物扩散模型，最后通过算例验证了文章提出的数值模拟方法具有可行性，揭示了机场区域飞机滑行階段飞机排放源所产生污染物的扩散特征。结果表明：飞机污染物初始排放浓度很高，但迅速扩散，风速及风向对飞机污染物扩散影响很大。当距离跑道300m位置时，污染物浓度衰减至很小，说明飞机污染物从发动机排气口排出后，在风的作用下快速扩散，且不同污染物的浓度值受排放源强影响，即排放源强大，浓度值也越大。

关键词：机场区域;飞机污染物扩散;浓度;数值模拟

中图分类号：F560 文献标识码：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

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。飞机在起飞和降落过程中会排放大量的污染物质，例如氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和微小颗粒等，同时其它机场源和机场周边道路也会产生大量污染物质。这些污染物在机场区域的集中排放有可能导致污染物浓度超标，将会对机场区域的空气质量及人类的健康造成一定的影响。

为了减少飞机污染物排放所带来的浓度超标问题，需要进行大量研究，并根据研究成果制定优化方案和相关规定。王维、郭瑞[1]根据飞机排放特点，采用高斯扩散模式，对机场区域飞机近地面扩散进行了研究，得出增大下滑角可减少碳排放量。伯鑫等人[2]采用AERMOD模型进行了污染物扩散模拟，该模型常用于我国大气环评模拟，研究结果表明，在机场区域飞机排放污染物质中NOx浓度贡献最大。夏卿[3]利用高斯模式，建立机场区域飞机排放扩散预测模型，结果得出飞机污染物浓度受到排放量的影响。

从已有文献看，目前针对机场区域飞机污染物的扩散研究多数采用高斯扩散模式，该模式属于数学模拟法，应用该模型求解扩散问题时需要考虑很多参数，且模型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。高斯模型由于模型简单而导致了较低的总精度。此外，基于高斯原理已有相对成熟的商业方案，比如AERMOD模型，但模型对于输入数据要求较为严格且模型复杂。

为此，本文针对机场区域飞机污染物的扩散问题，提出一种数值模拟法。近年来计算机技术得到快速发展，计算流体力学（CFD）也应运而生，目前CFD技术在大气污染物迁移扩散等方面得到了大量的应用。杨志斌、袁德奎[4]基于FLUENT模拟了城市大气污染物扩散过程，通过对实验结果与数值模拟结果的比对，得出计算流体力技术在城市大气污染物扩散领域具有可行性。张金贵等人[5]利用计算流体力学技术，结合湍流模型数值仿真了公路隧道区域汽车污染物排放扩散问题，研究得出模拟结果与实测结果具有较好的吻合度。李磊等人[6]通过建立三维街道峡谷模型，利用FLUENT对街道峡谷内的污染状况进行了模拟。但鲜少看到针对机场区域飞机污染物扩散的研究，因此本文将采用三维数值模拟法，基于FLUENT对某机场飞机污染物扩散问题进行研究，并对模拟结果进行分析比较，从而验证该方法在机场区域飞机污染物扩散研究方面的合理性。

1 机场区域飞机污染物排放扩散简介

本文以国内某机场春运期间某日起降航班的统计数据为依据对机场区域飞机污染物扩散问题进行研究。

1.1 机场环境简介

机场为国内某机场，机场有两个航站楼，两条主跑道，一条主跑道位于东北方向，另一条位于西南方向，其长度均为

3 600m，且相互平行，两条跑道之间平行间距为2 000m。机场地理位置较为平坦。机场平面如图1所示。

计算原始数据采集当日，平均风速为3m/s。

1.2 机场污染物排放清单

飞机在机场区域的运行活动可划分为进近、滑行、起飞和爬升四个阶段，其中进近阶段为4min，滑行26min，起飞0.7min和爬升2.2min[7]。本文以滑行阶段为例，模拟计算机场区域飞机污染物扩散及浓度情况。

研究扩散问题的前提是建立排放清单，然后进行排放量的计算，再利用计算结果进行扩散研究。

由于HC、CO、NOx这三种污染物在机场区域排放贡献较大[7]，为机场主要关注污染对象，所以研究中将HC、CO、NOx作为污染物预测因子。本文基于某机场单日飞机滑行阶段污染物排放量，采用该日排放量最高时段的排放数据进行扩散研究。当日该时段共起飞航班21架次，着陆航班26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，汇总计算得到飞机滑行阶段污染物排放清单，如表1所示。

2 建立模型

2.1 基本假设

为了方便建立数学模型，本文作了以下假设：

（1）在繁忙时段，考虑到飞机的起降循环活动较为密集，假设飞机污染物排放为稳态排放，且为连续排放状态;

（2）一架民航飞机发动机的数量为2～4个，发动机之间的距离相对于机场区域而言很小，当飞机在跑道滑行线路中运行并达到一定数量时，可将飞机污染物排放视为面排放[8]。所以本文将飞机滑行阶段的污染物排放设定为面排放;

（3）飞机发动机排放的包含污染物的烟气和空气的混合气体呈理想气体状态，在湍流混合过程中不发生任何化学反应。

2.2 建立物理模型

选取机场区域作为数值模拟对象，模擬研究飞机尾气扩散分布规律，采用SOLIDWORKS建模。

根据机场跑道分布情况，建立计算区域如下：沿跑道方向，长8 000m（x轴），垂直于跑道方向，宽5 000m（z轴），高度方向，高2 000m（y轴）。

飞机滑行阶段污染物排放面源大小和位置根据研究机场跑道布局和典型机型机翼宽度尺寸确定，滑行阶段排放面高度设置为2m（取典型机型发动机排放口距地面的距离），宽度取该机场起降飞机典型机型波音738两台发动机之间的间距，为34.5m，长度根据跑道和停机坪的位置取值，为6 500m。如图2所示。

2.3 网格划分

网格划分选择非结构化网格;网格最大尺寸为100m，最小尺寸为2m。为确保计算结果达到收敛，加密污染物面源区域的网格。

2.4 数学模型选择

本文主要模拟机场区域飞机起降循环活动中滑行阶段所造成的污染物排放扩散，采用雷诺平均方程与标准k-ε模型，其中雷诺平均方程组包含连续性方程、运动方程和输运方程等，公式如下：

=0 （1）

=-+μ-ρ （2）

=D- （3）

式中：ρ为密度，为等效压力，μ为动力黏性系数，D为分子扩散系数。

湍流模型采用标准k-ε模型。μ在k-ε模型中定义为：μ=ρC，k与ε控制方程如下：

ρku=μ++G-ρε （4）

ρεu=μ++CG-Cρ （5）

各通用常数的一般取值为C=0.09，C=1.44，C=1.92，σ=1.0，σ=1.33，σ=1.0。

2.5 边界条件设置

飞机滑行阶段向机场区域排放包含HC、CO和NOx等污染物在内的飞机尾气，设为面源排放，排放面入口采用质量入口，HC、CO和NOx的排放源强分别为4.94g/s、44.59g/s和10.80g/s，排放温度采用滑行阶段飞机发动机排气温度，设为648.15K;出口采用压力出口边界条件，三侧面与顶面设为压力出口条件，风向侧面采用速度入口条件，速度设为3m/s，入口全部为空气，空气温度设为278.15K，地面使用无滑移固壁条件。

3 算例验证

为验证本文提出的计算模型，将模拟结果与实测数据和相关文献进行比较分析。

在计算结果中选取污染物面源入口（滑行道上方2m高度）处初始浓度值与通过实验测得飞机发动机排气口处的污染物初始浓度进行比较，结果见图3。

由图3可见，模拟值与实测值在同一个数量级上，但同一污染物组分浓度值在实测值与模拟值上存在差异，这是由于实测值是通过对机场某一类型发动机进行测量得到，而模拟值是机场所有机型发动机共同作用的结果，可能是受不同发动机型号的影响。

将距离降落跑道300m处近地面扩散浓度值与文献[3]中采用高斯扩散模式的预测值得出距离跑道300m处近地面的扩散浓度值进行比较，结果见图4。

由模拟结果可知，因为该区域离排放源比较近，因此三种污染物组分近地面区域污染物浓度比较高，同时可以发现三种污染物组分在最大浓度值上，一氧化碳最大，氮氧化物其次，最小的是碳氢化合物，这是由于飞机在滑行阶段中各污染物组分排放源强不同所致，说明污染物组分浓度受其排放量的影响，且飞机在滑行阶段主要产生的污染物为一氧化碳，这与一些学者所进行的相关研究[9]得出的结论相同。

由图4可见，氮氧化物的模拟值明显低于高斯模式预测值，原因如下：文献[3]中飞机污染物排放扩散情况综合考虑了进近、滑行、起飞和爬升几个阶段污染物的排放扩散情况，所以导致氮氧化物浓度值过高。而本文模拟中仅考虑了滑行阶段污染物排放扩散情况。根据国际民用航空组织（ICAO）数据库可知，飞机发动机在起飞和爬升阶段，产生氮氧化物较多，而在滑行和进近阶段，则产生的一氧化碳会相对较多。这是因为在起飞和爬升阶段，飞机发动机在高推力状态下，发动机燃烧室温度较高，因此氮氧化物生成量较多;而在滑行和进近阶段，发动机在低推力状态下，发动机内燃烧不够充分，因此一氧化碳生成量较多。

在模拟计算中，只模拟了滑行阶段，没有考虑进近、起飞和爬升阶段排放扩散的影响，因此一氧化碳浓度较高，氮氧化物浓度较低;而在文献[3]的高斯模式预测中，则考虑了进近、滑行、起飞和爬升几个阶段的排放情况，所以氮氧化物浓度值较高。

图5为模拟计算得到的滑行阶段各污染物组分排放总量与扩散浓度之间的关系，从图5中可以看出各污染物组分浓度值与各污染物组分总排放量在数值趋势上基本相同，因此可以近似认为各污染物组分总排放量与浓度值成正比关系。此处浓度值为距离降落跑道300m位置扩散浓度值。

图6为本模拟计算中排放源各污染物组分排放量占比与文献[3]中高斯模式预测排放源各污染物组分占比情况图。

由图6可见，模拟计算中排放源一氧化碳和碳氢化合物排放量比值小于文献[3]中提供的一氧化碳和碳氢化合物排放量比值，因此受排放量比值影响模拟值可能低于高斯模式预测值。

由上述分析可見，模拟结果与实测值以及按照高斯扩散模式的预测值吻合度较好，说明本文建立的计算模型是可行的。

4 计算结果及分析

计算了风速为3m/s，机场区域飞机滑行阶段污染物扩散问题，并通过截面选取来分析污染物的扩散浓度状况。图7为机场区域滑行道布局图。

由于机场区域飞机滑行阶段会产生大量的一氧化碳，因此以一氧化碳为例研究风对于污染物浓度的扩散情况，取滑行道2近地面x-z平面和滑行道1近地面x-z平面上一氧化碳浓度扩散等值线图进行分析，如图8、图9所示。

由图8、图9可见，一氧化碳在风速作用下其浓度开始发生扩散，随着扩散距离增加，一氧化碳浓度逐渐减小，因此风速会稀释降解污染物浓度，则污染物浓度值会随着扩散距离增加越来越低。

由图8、图9可见，当跑道与风向垂直时，此时距离跑道下风向100m处浓度值为2.2ppm，当风向与跑道平行时，此时距离跑道下风向100m处浓度值为0.3，可以看出风向与跑道在不同角度上会对污染物浓度扩散造成不同的影响。这是因为当跑道与风向垂直时，整个跑道上的一氧化碳开始沿着下风向扩散，而当跑道与风向平行时，跑道上的一氧化碳在跑道上就已经开始扩散了。因此风向与跑道不同夹角时可能造成不同的扩散情况。

以滑行道1为研究对象，取距离其首300m位置的2-2截面和距离其尾300m位置的1-1截面为考察对象，图10给出了计算得到的这两个截面上的CO浓度分布云图。通过对比1-1截面和2-2截面可以发现，距离滑行道1首部300m处各污染物浓度云图均为蓝色，即污染物浓度值均为0，而距离滑行道1尾部300m处各污染物组分浓度依然存在。因为飞机污染物扩散受风向影响，机场区域污染物浓度相对污染源位置下风向上浓度高于上风向，尤其当上风方向距离达到一定程度时，污染物根本不会进入上风向区域，所以该区域的污染物浓度值为0。因此在机场区域相对污染源位置在下风方向属于浓度危险区域。

从图10看，各污染物组分浓度近地面的扩散浓度值最大，这是由于污染物面源接近地面位置而导致地面的污染物浓度值较大。但随着高度增加，污染物浓度值逐渐衰减，当高度达到一定距离时，污染物浓度值基本接近于0，即云图蓝色区域为浓度值绝对安全区域。

5 结论与展望

（1）本文通过三维数值模拟预测机场区域飞机污染物扩散情况，得出模拟结果与实测值和相关文献预测值具有较好的吻合度，说明本文提出的计算模型及模拟方法用于机场污染物的扩散研究是可行的。

（2）污染物面源入口初始浓度值较大，说明飞机污染物从发动机排气口喷出浓度较高，但迅速衰减。且当扩散距离增加时，污染物浓度值开始逐步降低。同时风向与跑道之间不同的夹角也会对污染物扩散情况造成不同的结果。

（3）在风速和风向影响下，飞机污染物扩散趋势沿着风向靠近面扩散，且近地面污染物浓度值较大，因此飞机污染物在滑行阶段排放的污染物主要集中在跑道近地面位置。

（4）在通过比较不同污染物在近地面相同扩散距离上的浓度值，可以得出各污染物的濃度受排放源强大小影响。

（5）由于本文提出的飞机污染物扩散模型是为了验证该方法的合理性，因此仅采用滑行阶段的排放数据作为排放源进行研究，后续工作会综合考虑机场区域飞机其余阶段计算，从而完善和修正计算结果。提高对机场区域飞机污染扩散情况的预测精度。

（6）本文建立的模式虽有一定的模拟能力，但在模拟中还存在不足，如大气环境中的风速是随高度发生变化的。下一步工作，可增加多种工况下的模拟，即各种风向、风速下的数值计算，同时进行风速高度修正，使模式有更强的适用性。

参考文献：

[1] 王维，郭瑞. 航空器碳排放扩散模型研究及减碳效果分析[J]. 环境工程，2016，34（8）：174-177.

[2] 伯鑫，段钢，李重阳，等. 首都国际机场大气污染模拟研究[J]. 环境工程，2017，35（3）：97-100.

[3] 夏卿. 飞机发动机排放对机场大气环境影响评估研究[D]. 南京：南京航空航天大学（博士学位论文），2009.