民航飞机通常以涡轮发动机为动力,运行中会排放NOx、SO2、CO、HC、PM等大气污染物.其中,NOx、SO2、HC等,是大气二次气溶胶粒子的重要前体物,对区域的能见度下降和灰霾的形成都有重要影响;CO、NOx是近地面O3和大气光化学污染的主要前体物[1-5].研究表明,飞机排放的PM粒径较小,主要为PM2.5[6-7],严重影响人体健康[8].飞机的飞行过程主要包括高空巡航飞行,和在机场区域的起降飞行(即LTO循环,landing and take-off cycle).其中,LTO起降阶段的飞行高度位于大气边界层以内,其污染排放可对人体健康和城市大气环境,产生更重要的影响[9-13].随着我国经济发展和城市化进程的加快,机场数量和规模不断扩大,截至2018年底我国共有颁证运输机场235个,当年完成起降架次1108.8万架次[14].准确评估机场区域飞机LTO飞行活动对大气环境的影响,尤为重要.

当前,我国并未对机场空气质量常规监测做出规定,因此可利用扩散模型方法对飞机LTO过程的污染影响进行科学评估.目前,高斯模型、拉格朗日模型等方法广泛应用于各类型污染源的扩散模拟,也包括一些飞机LTO扩散模拟工具,如美国EDMS、英国ADMS-Airport、德国LASPORT机场评估系统等[15-19].Schürmann[20]、Rissman[21]等分别研究了苏黎世、亚特兰大机场飞机起降对空气质量的影响;国内夏卿[22]、伯鑫等[23]学者对特定机场飞机LTO污染扩散进行了模拟.现有研究通常对飞行剖面简化处理,将所有飞机视为沿固定的飞行轨迹飞行,通过ICAO基准模型计算源强后,利用高斯烟羽模型对LTO污染扩散进行模拟.而实际飞行中,由于飞机重量和发动机推力等因素的差异,飞行轨迹均不同.同时高斯烟羽模型适用于源强一定的连续排放点源扩散模拟,而飞机在LTO飞行过程中,沿飞行轨迹每一时刻的空间位置和源强均在改变[24].

对于飞机排放污染的扩散模拟,关键问题是确定其排放位置、源强和特点.针对现有研究在此关键问题中的不足,本研究构建了飞机LTO污染排放影响评估耦合模型.首先通过飞行动力学模型仿真,获得LTO飞行每一时刻飞机位置及性能参数;将性能参数提供给排放精确计算模型后,可得到污染物实时排放速率;根据飞机排气特点,对烟团热力抬升、动力下冲等因素修正基础上,可通过拉格朗日烟团模型模拟污染扩散情况,为准确评估机场飞机起降的影响提供支持.同时采集一架典型飞机在一个完整LTO飞行过程中的机载数据,进行了实例应用研究.

1 LTO动态排放扩散模型的建立

1.1 模型概述

不同机型的飞机,由于重量、发动机推力等因素存在差异,因此在相同机场的起降飞行中,其性能参数(燃油流量)、飞行轨迹(位置)不同,最终影响了污染源强和排放位置.本文建立的动态扩散耦合模型,计算流程图如图1所示,主要包括以下内容:

(1)利用飞行动力学模型,对指定飞机的LTO飞行过程进行仿真,获取飞行中每一时刻燃油流量、地速、飞机位置等数据.

图1 LTO动态排放扩散模型流程Fig.1 Flow chart of the coupling model

(2)利用LTO污染排放模型,计算每一时刻污染物排放指数、耗油量及实时源强等数据.

(3)利用拉格朗日烟团模型,针对飞机排放烟团特点,对水平风、热力抬升和排气速度引起的动力下冲进行修正后,对每一时刻烟团进行扩散模拟,叠加后获得飞行过程污染扩散结果.

1.2 飞行动力学及LTO排放精确计算建模

1.2.1 飞行动力学模型 根据飞机机载数据,获得前后时刻的高度差,判断飞行阶段.在LTO飞行中主要涉及爬升和下降阶段.飞行动力学模型的核心公式[25]为:

(1)

式中:m为飞机质量,kg;F为飞机推力,N;D为飞机阻力,N;W为飞机重力,N;L为飞机升力,N;V为飞行速度,km/h;α为飞机迎角,rad;φp为推力作用线与飞机迎角基准线之间的夹角,rad;θ为航迹角,rad.

基于经典动力学方程,通过计算LTO飞行中每一时刻的升降梯度和升降率,获取单位时间耗油量(燃油流量)、地速及飞行轨迹等数据.

1.2.2 LTO排放精确计算模型 发动机推力决定了污染物排放指数,而燃油流量和发动机推力呈正相关,在获取实时燃油流量基础上,可利用ICAO基准排放模型及BM2(Boeing Method 2)修正方法[24],精确计算每一时刻NOx、HC、CO等气态污染物的排放指数及排放量.基准排放模型核心公式[26]如下:

(2)

式中:Ej为j类污染物的排放量,kg;n为发动机台数,台;ti为第i个飞行阶段的飞行时间,s;FFi为第i飞行阶段下的单发燃油流量,kg/s;EIji为污染物j在第i飞行阶段的排放指数,g/kg.

此外,SO2只与燃油消耗量成正比,与其他参数无关,排放指数EI不需修正.根据我国国标GB 6537-2006规定,将航空煤油中含硫量最大限值0.2%作为燃油含硫量数据,假定硫组分完全燃烧后, 96.7%转化为SO2,计算得到排放指数为3.87g/kg[27].

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