Application of a micro-scale meteorological model for studying the airflow pattern above the airport runway.pdf Процессы, происходящие в нижней части атмосферного пограничного слоя (туманы, метели, осадки, гололедно-изморозевые отложения, конвективные явления (гроза, шквал, смерч), сдвиг ветра на небольших высотах), оказывают существенное влияние на работу наземного и воздушного транспорта, на энергообеспечение хозяйственных объектов. Поэтому одной из актуальнейших проблем как фундаментальной, так и прикладной отраслей наук о Земле является проблема создания информационных систем мониторинга и прогнозирования состояния приземного слоя атмосферы над населенными пунктами и крупными транспортными узлами. Особое значение такие исследования приобретают в связи с необходимостью обеспечения безопасности жизнедеятельности в крупных аэропортах, где возникновение локальных неблагоприятных атмосферных явлений может привести к чрезвычайным ситуациям. Целью данной работы является построение и апробация трехмерной микромасштабной математической модели для исследования детальной ветровой обстановки в окрестностях аэропорта с учетом влияния строений различной этажности, имеющихся протяженных участков растительности (лесополосы и группы отдельно стоящих деревьев) и неоднородности свойств подстилающей поверхности (асфальт или растительный покров). Назначение разрабатываемой микромасштабной метеорологической модели заключается в определении явления сдвига ветра для рассматриваемой в данной работе области над взлетно-посадочной полосой в зависимости от орографических особенностей прилегающей территории (на примере аэропорта г. Томска - Богашево). Сдвиг ветра - это изменение скорости и/или направления ветра на небольшом участке траектории полета. Очень сильным сдвигом ветра считается тот, который приводит к изменению воздушной скорости более чем на 15 узлов (около 8 м/с) или вертикальной скорости более чем на 500 фут/мин (2,5 м/с) [1]. Опасность сдвига ветра для авиации обусловлена его воздействием на летные характеристики воздушных судов, что выражается в потенциально неблагоприятном влиянии на безопасность полетов. Несмотря на возможность присутствия сдвига ветра в атмосфере на всех уровнях высоты, его наличие в области до 500 м особенно важно при взлете и заходе на посадку. Для воздушных судов, производящих посадку или осуществляющих набор высоты, значения относительной высоты воздушного судна и скорости близки к критическим, поэтому воздушное судно особенно восприимчиво к неблагоприятному воздействию сдвига ветра [1]. Изучению явления сдвига ветра на небольших высотах посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов [2-6], кроме того во второй редакции подготовлено Руководство от международной организации гражданской авиации [1], в котором собраны имеющиеся на настоящий момент сведения по исследованию данного вопроса. Анализ приведенных литературных источников показывает, что для возникновения явления сдвига ветра есть целый ряд причин. Однако для области исследования в окрестностях взлетно-посадочной полосы аэропорта Богашево наиболее значимыми причинами возникновения сдвига ветра являются присутствие невысоких протяженных зданий и участков тесно расположенных деревьев с одной стороны взлетно-посадочной полосы и обширная лесополоса - с другой. Несмотря на то, что максимальная высота строений ограничена и зависит от расстояния до взлетной полосы, для их размеров характерна довольно значимая ширина и сгруппированность в одном районе. Таким образом, весь этот комплекс зданий (аэропорт, ангары, склады) при сравнительно небольшой высоте представляет собой широкий барьер на пути приземного ветра. Потоки воздуха обтекают задания сверху и сбоку, что приводит к изменению значений скорости ветра вдоль взлетно-посадочной полосы. При этом влияние препятствий на преобладающий поток воздуха зависит от многих факторов, самым важным из которых является скорость ветра и его направление относительно препятствия, а также масштаб препятствий по отношению к размерам взлетно-посадочной полосы [2]. Физическая и математическая постановки задачи Рассматривается трёхмерное стационарное турбулентное изотермическое движение несжимаемой среды над неоднородной подстилающей поверхностью с элементами крупномасштабной шероховатости. Элементы шероховатости представляют собой прямоугольные препятствия, размеры которых соизмеримы с размерами области исследования. Рассматривается два вида неподвижных препятствий: непроницаемые для потока здания и проницаемые массивы растительности (лесополосы) или отдельно стоящие деревья. Подстилающая поверхность: асфальт или растительный покров. Математическая модель включает в себя осреднённые по Рейнольдсу уравнение неразрывности и уравнения Навье - Стокса: ^ = 0; (1) 9x, SjuMuA _ ^v^-A^u;} + FMt, ii j = 1,2,3. (2) v dx -+дх; p dXj dx; j J Здесь (и,) - осредненные проекции вектора скорости на оси координат Ox,, (p) - давление, р - плотность, v - кинематическая вязкость воздуха, (уУ,} - тензор напряжений Рейнольдса, FMi - функция, описывающая влияние растительности на аэродинамику. Ось Ox3 направлена вертикально вверх. Замыкание системы уравнений (2) проводится с использованием двухпарамет-рической «к-е»-модели и градиентно-диффузионной гипотезы Буссинеска: dx, dx, d{yi) в _ d dxdxvT _ C к2. с v+- \ dk + P-8 + FK; )dx- j дв + - (CelP - Ce 28) + FE; i) u

Скачать электронную версию публикации