Физические аспекты визуализации аэрозольного струйно-вихревого следа самолета над аэродромом

• Автор: Миллер, Алексей Борисович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 92 с. : ил.

Глава 1. Уравнения эволюции конденсирующегося осесимметричного следа и их точные решения
1.1. Уравнения динамики дисперсной фазы
1.2. Модели роста частиц
1.2.1. Шаровые жидкие капли
1.2.2. Кристаллы
1.3. Обезразмеривание системы уравнений динамики дисперсной фазы
1.4. Аналитические решения уравнений динамики дисперсной фазы
1.4.1. Пространственно-однородный случай
1.4.2. Конденсирующаяся осесимметричная струя
Глава 2. Кинетические уравнения для заряженных капель
2.1. Определение минимального числа параметров подобия
2.1.1. Связь давления насыщенных паров над поверхностью капли с её кривизной и зарядом
2.1.2. Максимальный заряд, который может нести капля
2.1.3. Модель кинетики заряженных и нейтральных микрокапель
2.1.4. Упрощенная кинетическая модель и её анализ
2.1.5. Параметры подобия ... стр. 3
2.1.6. Время испарения капли .. ,стр,39
2.2. Модель проводящих капель. Учет дипольного момента
2.3. Расчет туннельного эффекта для свободных электронов
Глава 3. Расчет динамики частиц в конденсирующемся вихре
3.1. Аналитическое описание на основе решения Ньюмена
3.1.1. Области фазового переходав вихре
3.1.2. Решения в дальнем следе для шаровых капель
3.2. Численные решения, полученные на основе инженерной модели спутного
вихря
Глава 4. Оптические характеристики аэрозольного следа самолета в запыленной атмосфере аэропорта
4.1. Постановка задачи. “Эффект близости” частиц. Влияние “фонового”
аэрозоля
4.2. Рассеяние аэрозольной частицей с углеродным ядром

4.3. Расчет интенсивности полезного сигнала, регистрируемого приемным устройством
Глава 5. Динамическая модель спутных вихрей над землей при наличии порывистого градиентного ветра
5.1. Модель динамики вихревой пары крыла самолета у земли
5.2. Численные решения уравнений динамики вихревой пары
5.3. Сравнение расчетов с результатами летных экспериментов
Выводы
Литература ...стр. 8

Актуальность темы диссертации. Работа посвящена термодинамике, механике и оптике спутного вихревого следа самолета при полете в приаэродромных условиях с учетом нестационарной ветровой обстановки. Вихревая пара крыла самолета является источником опасности для других ЛА, попадающих в след. Эта опасность становится существенным фактором в работе современных аэропортов с плотным графиком полетов. Для предотвращения летных происшествий, связанных с попаданием в след, существуют нормы ИКАО, регламентирующие временной интервал между последовательными взлетами и посадками ЛА. Его продолжительность составляет 1-2 минуты после взлета или посадки крупного авиалайнера [1]. Тем не менее, при наличии переменного приземного ветра поведение вихрей становится непредсказуемым. Так, в аэропорту Хитроу при помощи лазерного измерения скорости был обнаружен неожиданный эффект - возвращение вихря с почти начальной мощностью в область глиссады приблизительно через 70 секунд после прохождения самолёта [2], т.е. примерно то самое время, которое нормы ИКАО определяют как безопасный интервал. Одним из решений проблемы вихревой безопасности взлета и посадки может служить создание системы обнаружения спутных вихрей, которая давала бы диспетчерской службе аэропорта непрерывно обновляющуюся информацию об их местонахождении. В результате безопасный интервал можно было бы сделать "гибким", а разрешение взлета или посадки предпринималось бы на основе достоверной информации.
В крупных аэропортах ряда стран (Германия, Англия, США) ведется систематическое наблюдение за вихревыми следами, при этом техника измерений основывается на доплеровской лазерной анемометрии, а рассеяние зондирующего излучения происходит на неоднородностях среды, например, на каплях воды.
В работе исследован именно этот случай рассеяния, представляющий несомненный интерес благодаря возможности управления заметностью вихря. Несмотря на название "невидимые убийцы", утвердившееся в среде пилотов после ряда летных происшествий, спутные вихри могут быть хорошо заметны в некотором диапазоне длин волн зондирующего излучения благодаря существующему в них аэрозолю. Его наличие объясняется протекающей в вихрях конденсацией атмосферных водяных паров, возможной в широком диапазоне значений влажности и температуры окружающего воздуха. Это так называемый адиабатический вихревой след [3]. Конденсация паров объясняется как результат адиабатического расширения и охлаждения паров к оси вихря, т.е аналогично механизму конденсации водяного пара в подымающемся атмосферном термине, где роль локального поля тяжести играют центробежные силы. Однако время

Системе уравнений (2.31) и (2.32) для данных Ж, р и Ъ удовлетворяет некоторая пара чисел {гт, х}, из которых сечения захвата определяется как ст = пр2а2
Рассмотрим случай, когда энергия частицы-снаряда на "бесконечности" меньше высоты потенциального барьера: Е проникновение такой частицы через барьер с некоторой отличной от нуля вероятностью, которая может быть оценена по формуле [38] гт
2 ¥Г
О ~ ехр
^2т{ие1г(г)-Е)сіг =ехр -ро Есіг
(2.33)
где Й=1.05'10‘34 Дж-с - постоянная Планка, ?¥(|)и Г<2)- радиусы точек поворота, для
которых выполняется соотношение Пе1Г(г^'2)) = Е, Р0
1 2rnq й
Й V 71Е„
безразмерный
параметр. Вероятность прохождения потенциального барьера (или коэффициент прохождения) определяется как отношение плотности потока прошедших барьер частиц к плотности потока падающих.
Для оценки необходимости учета изображений при расчете туннельного эффекта произведем вычисление коэффициента прохождения потенциального барьера отталкивания нанокапли (й~10'9м) свободными электронами для двух видов эффективной потенциальной энергии взаимодействия: с учетом изображений (формула (2.30)) и без него. Во втором случае она записывается в виде:

+ —, г>1 г
-оо, 0<г<1
(2.34)
Точки поворота находятся в виде: = 1, = — +
2 Е
-1 2 Е)
+ Р
Подставляя (2.34) в (2.33) и выполняя интегрирование, находим:
Оо{р,Е,г) ~ехр(-р0 -Л( р, Е , 2)), 2 (
Л(р, Е,2)~ Щр2 -)+ Ег -^[р2 -)+Е
л/1

п . і -г/(2Е) — ахсят , = =4.
2 С 2 ,
,]р2+{г/(2Е))2
- рл[Е 1п
_(2) Р + ^/У^/л-л/Н ТН"/о~‘
’ р + гг<2>/(2Е)+>2 + ргг<2>/е - (г^У
г/{2Е)+^рг +рг/Е-і