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机场区域飞机污染物排放扩散数值研究

摘要：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

　　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

大飞机

　　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。