機場區域飛機污染物排放擴散數值研究

羅浩 匡江紅 呂鴻雁

摘? 要：飛機在起飛降落過程中會排放大量的污染物，例如二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物等，這些污染物在機場區域的集中排放將導致污染物濃度超標，進而影響機場周圍的空氣質量，因此有必要對機場區域污染物的排放擴散情況進行研究。目前在機場區域大氣環境評估方面，鮮少采用數值模擬方法，文章針對機場區域飛機起降循環過程中發動機燃燒產生的污染物，采用三維數值模擬的方法，建立機場區域飛機污染物擴散模型，最后通過算例驗證了文章提出的數值模擬方法具有可行性，揭示了機場區域飛機滑行階段飛機排放源所產生污染物的擴散特征。結果表明：飛機污染物初始排放濃度很高，但迅速擴散，風速及風向對飛機污染物擴散影響很大。當距離跑道300m位置時，污染物濃度衰減至很小，說明飛機污染物從發動機排氣口排出后，在風的作用下快速擴散，且不同污染物的濃度值受排放源強影響，即排放源強大，濃度值也越大。

關鍵詞：機場區域;飛機污染物擴散;濃度;數值模擬

中圖分類號：F560? ? 文獻標識碼：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

隨著全球航空運輸業的飛速發展，飛機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，而飛機排放對機場區域空氣質量的影響日益嚴重。飛機在起飛和降落過程中會排放大量的污染物質，例如氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）和微小顆粒等，同時其它機場源和機場周邊道路也會產生大量污染物質。這些污染物在機場區域的集中排放有可能導致污染物濃度超標，將會對機場區域的空氣質量及人類的健康造成一定的影響。

為了減少飛機污染物排放所帶來的濃度超標問題，需要進行大量研究，并根據研究成果制定優化方案和相關規定。王維、郭瑞[1]根據飛機排放特點，采用高斯擴散模式，對機場區域飛機近地面擴散進行了研究，得出增大下滑角可減少碳排放量。伯鑫等人[2]采用AERMOD模型進行了污染物擴散模擬，該模型常用于我國大氣環評模擬，研究結果表明，在機場區域飛機排放污染物質中NOx濃度貢獻最大。夏卿[3]利用高斯模式，建立機場區域飛機排放擴散預測模型，結果得出飛機污染物濃度受到排放量的影響。

從已有文獻看，目前針對機場區域飛機污染物的擴散研究多數采用高斯擴散模式，該模式屬于數學模擬法，應用該模型求解擴散問題時需要考慮很多參數，且模型忽略了重力和浮力對擴散氣體的影響，所以只能對密度接近大氣密度的氣體進行研究。高斯模型由于模型簡單而導致了較低的總精度。此外，基于高斯原理已有相對成熟的商業方案，比如AERMOD模型，但模型對于輸入數據要求較為嚴格且模型復雜。

為此，本文針對機場區域飛機污染物的擴散問題，提出一種數值模擬法。近年來計算機技術得到快速發展，計算流體力學（CFD）也應運而生，目前CFD技術在大氣污染物遷移擴散等方面得到了大量的應用。楊志斌、袁德奎[4]基于FLUENT模擬了城市大氣污染物擴散過程，通過對實驗結果與數值模擬結果的比對，得出計算流體力技術在城市大氣污染物擴散領域具有可行性。張金貴等人[5]利用計算流體力學技術，結合湍流模型數值仿真了公路隧道區域汽車污染物排放擴散問題，研究得出模擬結果與實測結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對街道峽谷內的污染狀況進行了模擬。但鮮少看到針對機場區域飛機污染物擴散的研究，因此本文將采用三維數值模擬法，基于FLUENT對某機場飛機污染物擴散問題進行研究，并對模擬結果進行分析比較，從而驗證該方法在機場區域飛機污染物擴散研究方面的合理性。

1? 機場區域飛機污染物排放擴散簡介

本文以國內某機場春運期間某日起降航班的統計數據為依據對機場區域飛機污染物擴散問題進行研究。

1.1? 機場環境簡介

機場為國內某機場，機場有兩個航站樓，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。機場地理位置較為平坦。機場平面如圖1所示。

計算原始數據采集當日，平均風速為3m/s。

1.2? 機場污染物排放清單

飛機在機場區域的運行活動可劃分為進近、滑行、起飛和爬升四個階段，其中進近階段為4min，滑行26min，起飛0.7min和爬升2.2min[7]。本文以滑行階段為例，模擬計算機場區域飛機污染物擴散及濃度情況。

研究擴散問題的前提是建立排放清單，然后進行排放量的計算，再利用計算結果進行擴散研究。

由于HC、CO、NOx這三種污染物在機場區域排放貢獻較大[7]，為機場主要關注污染對象，所以研究中將HC、CO、NOx作為污染物預測因子。本文基于某機場單日飛機滑行階段污染物排放量，采用該日排放量最高時段的排放數據進行擴散研究。當日該時段共起飛航班21架次，著陸航班26架次，按照國際民用航空組織（ICAO）飛機發動機排放數據庫提供的數據，根據當日起降飛機發動機型號，匯總計算得到飛機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

為了方便建立數學模型，本文作了以下假設：

（1）在繁忙時段，考慮到飛機的起降循環活動較為密集，假設飛機污染物排放為穩態排放，且為連續排放狀態;

（2）一架民航飛機發動機的數量為2～4個，發動機之間的距離相對于機場區域而言很小，當飛機在跑道滑行線路中運行并達到一定數量時，可將飛機污染物排放視為面排放[8]。所以本文將飛機滑行階段的污染物排放設定為面排放;

（3）飛機發動機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，在湍流混合過程中不發生任何化學反應。

2.2? 建立物理模型

選取機場區域作為數值模擬對象，模擬研究飛機尾氣擴散分布規律，采用SOLIDWORKS建模。

根據機場跑道分布情況，建立計算區域如下：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）。

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

2.3? 網格劃分

網格劃分選擇非結構化網格;網格最大尺寸為100m，最小尺寸為2m。為確保計算結果達到收斂，加密污染物面源區域的網格。

2.4? 數學模型選擇

本文主要模擬機場區域飛機起降循環活動中滑行階段所造成的污染物排放擴散，采用雷諾平均方程與標準k-ε模型，其中雷諾平均方程組包含連續性方程、運動方程和輸運方程等，公式如下：

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

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

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

式中：ρ為密度，為等效壓力，μ為動力黏性系數，D為分子擴散系數。

湍流模型采用標準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? 邊界條件設置

飛機滑行階段向機場區域排放包含HC、CO和NOx等污染物在內的飛機尾氣，設為面源排放，排放面入口采用質量入口，HC、CO和NOx的排放源強分別為4.94g/s、44.59g/s和10.80g/s，排放溫度采用滑行階段飛機發動機排氣溫度，設為648.15K;出口采用壓力出口邊界條件，三側面與頂面設為壓力出口條件，風向側面采用速度入口條件，速度設為3m/s，入口全部為空氣，空氣溫度設為278.15K，地面使用無滑移固壁條件。

3? 算例驗證

為驗證本文提出的計算模型，將模擬結果與實測數據和相關文獻進行比較分析。

在計算結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驗測得飛機發動機排氣口處的污染物初始濃度進行比較，結果見圖3。

由圖3可見，模擬值與實測值在同一個數量級上，但同一污染物組分濃度值在實測值與模擬值上存在差異，這是由于實測值是通過對機場某一類型發動機進行測量得到，而模擬值是機場所有機型發動機共同作用的結果，可能是受不同發動機型號的影響。

將距離降落跑道300m處近地面擴散濃度值與文獻[3]中采用高斯擴散模式的預測值得出距離跑道300m處近地面的擴散濃度值進行比較，結果見圖4。

由模擬結果可知，因為該區域離排放源比較近，因此三種污染物組分近地面區域污染物濃度比較高，同時可以發現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，最小的是碳氫化合物，這是由于飛機在滑行階段中各污染物組分排放源強不同所致，說明污染物組分濃度受其排放量的影響，且飛機在滑行階段主要產生的污染物為一氧化碳，這與一些學者所進行的相關研究[9]得出的結論相同。

由圖4可見，氮氧化物的模擬值明顯低于高斯模式預測值，原因如下：文獻[3]中飛機污染物排放擴散情況綜合考慮了進近、滑行、起飛和爬升幾個階段污染物的排放擴散情況，所以導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散情況。根據國際民用航空組織（ICAO）數據庫可知，飛機發動機在起飛和爬升階段，產生氮氧化物較多，而在滑行和進近階段，則產生的一氧化碳會相對較多。這是因為在起飛和爬升階段，飛機發動機在高推力狀態下，發動機燃燒室溫度較高，因此氮氧化物生成量較多;而在滑行和進近階段，發動機在低推力狀態下，發動機內燃燒不夠充分，因此一氧化碳生成量較多。

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

圖5為模擬計算得到的滑行階段各污染物組分排放總量與擴散濃度之間的關系，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值趨勢上基本相同，因此可以近似認為各污染物組分總排放量與濃度值成正比關系。此處濃度值為距離降落跑道300m位置擴散濃度值。

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

由圖6可見，模擬計算中排放源一氧化碳和碳氫化合物排放量比值小于文獻[3]中提供的一氧化碳和碳氫化合物排放量比值，因此受排放量比值影響模擬值可能低于高斯模式預測值。

由上述分析可見，模擬結果與實測值以及按照高斯擴散模式的預測值吻合度較好，說明本文建立的計算模型是可行的。

4? 計算結果及分析

計算了風速為3m/s，機場區域飛機滑行階段污染物擴散問題，并通過截面選取來分析污染物的擴散濃度狀況。圖7為機場區域滑行道布局圖。

由于機場區域飛機滑行階段會產生大量的一氧化碳，因此以一氧化碳為例研究風對于污染物濃度的擴散情況，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散等值線圖進行分析，如圖8、圖9所示。

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

由圖8、圖9可見，當跑道與風向垂直時，此時距離跑道下風向100m處濃度值為2.2ppm，當風向與跑道平行時，此時距離跑道下風向100m處濃度值為0.3，可以看出風向與跑道在不同角度上會對污染物濃度擴散造成不同的影響。這是因為當跑道與風向垂直時，整個跑道上的一氧化碳開始沿著下風向擴散，而當跑道與風向平行時，跑道上的一氧化碳在跑道上就已經開始擴散了。因此風向與跑道不同夾角時可能造成不同的擴散情況。

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給出了計算得到的這兩個截面上的CO濃度分布云圖。通過對比1-1截面和2-2截面可以發現，距離滑行道1首部300m處各污染物濃度云圖均為藍色，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。因為飛機污染物擴散受風向影響，機場區域污染物濃度相對污染源位置下風向上濃度高于上風向，尤其當上風方向距離達到一定程度時，污染物根本不會進入上風向區域，所以該區域的污染物濃度值為0。因此在機場區域相對污染源位置在下風方向屬于濃度危險區域。

從圖10看，各污染物組分濃度近地面的擴散濃度值最大，這是由于污染物面源接近地面位置而導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，當高度達到一定距離時，污染物濃度值基本接近于0，即云圖藍色區域為濃度值絕對安全區域。

5? 結論與展望

（1）本文通過三維數值模擬預測機場區域飛機污染物擴散情況，得出模擬結果與實測值和相關文獻預測值具有較好的吻合度，說明本文提出的計算模型及模擬方法用于機場污染物的擴散研究是可行的。

（2）污染物面源入口初始濃度值較大，說明飛機污染物從發動機排氣口噴出濃度較高，但迅速衰減。且當擴散距離增加時，污染物濃度值開始逐步降低。同時風向與跑道之間不同的夾角也會對污染物擴散情況造成不同的結果。

（3）在風速和風向影響下，飛機污染物擴散趨勢沿著風向靠近面擴散，且近地面污染物濃度值較大，因此飛機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散距離上的濃度值，可以得出各污染物的濃度受排放源強大小影響。

（5）由于本文提出的飛機污染物擴散模型是為了驗證該方法的合理性，因此僅采用滑行階段的排放數據作為排放源進行研究，后續工作會綜合考慮機場區域飛機其余階段計算，從而完善和修正計算結果。提高對機場區域飛機污染擴散情況的預測精度。

（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，如大氣環境中的風速是隨高度發生變化的。下一步工作，可增加多種工況下的模擬，即各種風向、風速下的數值計算，同時進行風速高度修正，使模式有更強的適用性。

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