一种加快航空器尾流耗散的地面干预装置

技术领域

本发明涉及航空器地面装置技术领域，特别是一种加快航空器尾流耗散的地面干预装置。

背景技术

尾流是每架飞机产生的持续时间长的旋转气流。它们是由空气从机翼下方的高气压区向上方的低压区移动时，在翼尖上“滚动”而成的。这些强大的旋涡会对紧随其后的飞机产生严重影响，也会对地面结构造成损害。当航空器产生升力时，上下翼面的压力差会使气流由下翼面绕过翼尖流向上翼面，从而在翼尖形成一对反向旋转的旋涡，通常称之为尾涡，尾涡发展变化的整个过程称作尾流。尾流会对产生尾涡的航空器之后跟进的航空器的安全造成威胁。

国际民航组织(Inteal Civil Organization，ICAO)依据实际的运行经验和出于对运行安全性的考虑，制定了相对保守的尾流间隔标准，以牺牲空域容量为代价来增加飞行的运行安全性。然而随着我国民航运输业的不断发展，对空中交通容量的需求也在急剧的增加，相对保守的尾流间隔标准在一定程度上限制了机场容量的增长，严重影响空域使用效率，造成局部空域拥堵。同时，如果在现有机场修建新跑道，居民区往往受到扩建的影响。在这种飞机安全性与机场容量的限制下，如何加快尾涡在地面的耗散速度成为了急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的如何加快尾涡在地面的耗散速度的问题，提供一种加快航空器尾流耗散的地面干预装置；本地面干预装置包括平行排列的板线系统，该板线系统通过阻滞、反弹尾涡，削弱尾涡的湍流动能，破坏尾涡结构，诱导主涡分离出二次涡系，以达到加快航空器尾流耗散的作用，能够加快尾涡耗散速度，减小尾流对后机的影响，从而缩减尾流间隔，提高机场容量及空域使用效率，满足日益增长的航空运输需求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种加快航空器尾流耗散的地面干预装置，包括用于设置在跑道入口延长线后的地面上的板线系统；

所述板线系统包括若干个沿跑道宽度方向间隔设置的平行板1，所述平行板沿跑道长度方向设置。

本发明所提供的尾流耗散的地面干预装置包括用于设置在跑道入口延长线后的地面上的板线系统；所述板线系统包括若干个沿跑道宽度方向间隔设置的平行板，所述平行板沿跑道长度方向设置；通过无板线系统与该板线系统作用下的涡量矢量图对比可知，在板线的作用下，产生了明显的二次涡流，由于尾涡的切向气流受到阻挡、分割，干扰和抑制了尾涡的湍流动能，同时尾涡的下洗气流被阻滞在板线和地面之间，气流速度的大小和方向发生改变，尾涡主涡变形，诱导分离出二次涡流，对主涡产生干涉拖拽作用，加剧涡的强度衰减和耗散，该板线系统能够加快尾涡耗散速度，减小尾流对后机的影响，从而缩减尾流间隔，提高机场容量及空域使用效率，满足日益增长的航空运输需求。

优选的，上述加快航空器尾流耗散的地面干预装置中，所述平行板包括若干个板块单元，若干个板块单元可拆卸地连接。

本发明所提供的平行板由多个板块单元拼接而成，将平行板设置为由基础板块单元组成，可实现基础板块单元的任意组合拼接，具有便于装卸、易于调整平行板大小的优点。

优选的，上述加快航空器尾流耗散的地面干预装置中，相邻所述平行板之间的间距相同。

优选的，所述平行板个数为11，相邻所述平行板之间的间距为10m。

或者，所述平行板个数为22，相邻所述平行板之间的间距为5m。

本发明所提供的平行板之间均匀间隔设置，且基于对当前重型机的翼展与尾涡在到达板线时的扩散范围、以及占用跑道宽度的综合考虑，将平行板线的总宽度设置在100m左右，在该范围内能保证尾涡的充分耗散、又无需占用过多的跑道；同时提供平行板线的两种布置方式，在加密布置方式下，平行板线系统的尾涡耗散作用更加明显。

优选的，上述加快航空器尾流耗散的地面干预装置中，所述板线系统还包括：设置在每个所述平行板顶部的平面板，所述平面板沿水平方向设置。

优选的，上述加快航空器尾流耗散的地面干预装置中，所述平面板与所述平行板垂直设置。

优选的，上述加快航空器尾流耗散的地面干预装置中，所述板线系统还包括：垂直板；所述垂直板设置于相邻所述平行板之间，所述垂直板的两端分别与相邻所述平行板连接。

本发明进一步的实施例中，通过对尾涡x、y、z三个方向的综合运动学分析，将板线系统改进为包括平行板、平面板、垂直板的复合板线结构，由于增加了顶部板线，尾涡在接触到顶板时，部分涡流被阻滞，发生分流、反弹，诱导形成二次涡系，同时，与跑道中心线平行和垂直的板线对尾涡运动进行阻滞、干预，诱导主涡结构失稳，涡体变形扭曲，分离出二次涡，因此复合型板线加速尾涡耗散的作用更加明显。

优选的，上述加快航空器尾流耗散的地面干预装置中，所述平行板尺寸为：7m×10.5m×0.01m。

优选的，上述加快航空器尾流耗散的地面干预装置中，所述板线系统通过钢丝绳与地面连接。

利用钢丝绳将板线系统固定在地面上，更有利于板线系统的稳定性。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的尾流耗散的地面干预装置包括用于设置在跑道入口延长线后的地面上的板线系统；所述板线系统包括若干个沿跑道宽度方向间隔设置的平行板，所述平行板沿跑道长度方向设置；通过无板线系统与该板线系统作用下的涡量矢量图对比可知，在板线的作用下，产生了明显的二次涡流，由于尾涡的切向气流受到阻挡、分割，干扰和抑制了尾涡的湍流动能，同时尾涡的下洗气流被阻滞在板线和地面之间，气流速度的大小和方向发生改变，尾涡主涡变形，诱导分离出二次涡流，对主涡产生干涉拖拽作用，加剧涡的强度衰减和耗散，该板线系统能够加快尾涡耗散速度，减小尾流对后机的影响，从而缩减尾流间隔，提高机场容量及空域使用效率，满足日益增长的航空运输需求。

2、本发明所提供的平行板之间均匀间隔设置，且基于对当前重型机的翼展与尾涡在到达板线时的扩散范围、以及占用跑道宽度的综合考虑，将平行板线的总宽度设置在100m左右，在该范围内能保证尾涡的充分耗散、又无需占用过多的跑道；同时提供平行板线的两种布置方式，在加密布置方式下，平行板线系统的尾涡耗散作用更加明显。

3、本发明进一步的实施例中，通过对尾涡x、y、z三个方向的综合运动学分析，将板线系统改进为包括平行板、平面板、垂直板的复合板线结构，由于增加了顶部平面板线，尾涡在接触到顶板时，部分涡流被阻滞，发生分流、反弹，诱导形成二次涡系，同时，与跑道中心线平行和垂直的板线对尾涡运动进行阻滞、干预，诱导主涡结构失稳，涡体变形扭曲，分离出二次涡，因此复合型板线加速尾涡耗散的作用更加明显。

附图说明

图1是本发明示例性实施例的平行板线(间距为10m)结构示意图1。

图2是本发明示例性实施例的平行板线(间距为5m)结构示意图2。

图3是本发明示例性实施例的复合板线结构示意图。

图4是本发明示例性实施例的无板线作用下尾涡涡量矢量图。

图5是本发明示例性实施例的平行板线(间距为10m)作用下尾涡涡量矢量图。

图6是本发明示例性实施例的平行板线(间距为5m)作用下尾涡涡量矢量图。

图7是本发明示例性实施例的复合板线系统作用下尾涡涡量矢量图。

图8是本发明示例性实施例的无板线作用下尾涡z方向速度矢量图。

图9是本发明示例性实施例的平行板线(间距为10m)作用下尾涡z方向速度矢量图。

图10是本发明示例性实施例的平行板线(间距为5m)作用下尾涡z方向速度矢量图。

图11是本发明示例性实施例的复合板线系统作用下尾涡z方向速度矢量图。

图12是本发明示例性实施例的无板线作用下尾涡y方向速度矢量图。

图13是本发明示例性实施例的平行板线(间距为10m)作用下尾涡y方向速度矢量图。

图14是本发明示例性实施例的平行板线(间距为5m)作用下尾涡y方向速度矢量图。

图15是本发明示例性实施例的复合板线系统作用下尾涡y方向速度矢量图。

附图标记：1-平行板；2-平面板；3-垂直板。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1～3所示，在跑道入口中心延长线后预定距离100m处放置板线系统，进行尾涡干预。考虑到机场跑道类型，各类航空器翼展、重量等参数各不相同，产生的尾涡的环量、涡核间距等参量也各不相同，为了达到加快尾流耗散的最佳效果，需要对板线的构型和位置进行优化调整，具体的，该板线系统包括：由一系列间隔相同的平行板1组成的平板板线系统，或者在平行板1上加装平面板2与垂直板3的复合板板线系统，将整个板线系统用钢丝绳固定在地面。其中，在机场跑道入口后方加装板线系统需要符合相关障碍物评估，OIS(Obstacle Identification Surface)障碍物鉴别面是建立在机场周围用于识别障碍物的一组斜面，该斜面的梯度为2.5％。当有障碍物穿透OIS面时，必须考虑在离场程序中规定一条飞行航经，以便安全避开障碍物；OIS的起点为跑到入口处5m，梯度2.5％，故跑道后方100m处的板线高度限制为5+100*2.5％＝7.5m，因此，平行板1的高度不应该超过7.5m，本实施例中，将平行板1的高度设计为7m。

具体的，为了板线尺寸满足需求，同时便于装卸，设计合适的基本金属板，来拼接得到所需要的平行板1，以组成整个板线系统。该平行板1的基本金属板单元尺寸为：3.5m×3.5m×0.01m，基本金属块上留有小孔，通过金属片与铆钉将金属连接片链接在一起，组成整块平行板，将六块金属板拼接为7m×10.5m×0.01m的平行板(7m为平行板1的离地面高度、10.5m为平行板1沿跑道延长线的横向延伸长度、0.01m为平行板1厚度)，从而得到板线系统。相邻平行板1之间间隔均匀，且基于对当前重型机的翼展与尾涡在到达板线时的扩散范围、以及占用跑道宽度的综合考虑，将平行板线的总宽度设置在100m左右，在该范围内能保证尾涡的充分耗散、又无需占用过多的跑道；同时提供如图1、图2所示的平行板线的两种布置方式，在图2的加密布置方式下，平行板线系统的尾涡耗散作用更加明显。如图1所示，将11块平行板1放置在距跑道入口中心延长线后100m处，基础平行板1间距为10m。如图2所示，调整板状线的间距，进行加密处理，采用22块平行板1，并使平行板1间距缩减为5米。进一步的，如图3所示，在间距10米平行板1的顶部加装0.01m×10.5m×5m的平面板2，厚度为0.01m，并在相邻两个平行板1中间加装垂直板3，垂直板的尺寸为：0.01m*5m*10.5m，厚度为0.01m，形成复合板线结构，从三个不同方向对尾涡进行干预。

在本发明进一步的实施例中，对图1～3的板线结构进行具体说明，并对他们的加强尾涡消散效果进行分析。对尾涡的演化过程及规律进行研究通常对尾涡环量、尾涡涡量、切向速度、涡核间距、涡核大小、下沉速度等尾涡参数进行分析，在此选用无板线作用，以及间距10m板线、间距5m板线和复合型板线作用下的涡量和切向速度进行对比分析。

涡量是表征尾涡强度的重要参数，其物理意义是流体速度矢量的旋度。旋度是向量分析中的一个向量算子，可以表示三维向量场对某一点附近的微元造成的旋转程度。三维流场中的涡量矢量形式可如下表示：

其中，ω

通过对涡量的变化进行分析，能够揭示尾涡在受到板线影响后的演化情况。在平面流场中，涡量仅在一个方向上存在分量，选取涡量在y方向的分量对涡量变化进行分析。

计算后无板线作用，以及间距10m板线、间距5m板线和复合型板线作用下的尾涡涡量矢量图如图4、图5、图6、图7所示，Y方向的速度矢量图如图8、图9、图10、图11所示，Z方向的速度矢量图如图12、图13、图14、图15所示。

如图4所示，无板线作用下的x方向最大涡量为3.96，如图5所示，间隔10m平行板线作用下的x方向最大涡量为3.76，最大涡量同比减小5.05％，通过两张涡量矢量图对比可知，在板线的作用下，产生了明显的二次涡流，由于尾涡的切向气流受到阻挡、分割，干扰和抑制了尾涡的湍流动能，同时尾涡的下洗气流被阻滞在板线和地面之间，气流速度的大小和方向发生改变，尾涡主涡变形，诱导分离出二次涡流，对主涡产生干涉拖拽作用，加剧涡的强度衰减和耗散。

如图6所示，间隔5m平行板线作用下的x方向最大涡量为3.11，与无板线时相比，最大涡量同比减小21.46％，将图6与图4、图5进行比较，可以看出由于板线更加密集，下洗区气流受到板线阻滞更加分散，干预作用的持续，二次涡流由于诱导作用围绕主涡。

如图7所示，复合型板线作用下的x方向最大涡量为2.21，与无板线时相比，最大涡量同比减小44.19％，将图7与图4、图5、图6进行比较，复合型板线作用下尾涡消散作用更加明显，由于增加了顶部板线，尾涡在接触到顶板时，部分涡流被阻滞，发生分流、反弹，诱导形成二次涡系，同时，与跑道中心线平行和垂直的板线对尾涡运动进行阻滞、干预，诱导主涡结构失稳，涡体变形扭曲，分离出二次涡，触发Rayleigh-Ludwieg相交不稳定性，二次涡围绕主涡旋转，加速尾涡耗散。

由四中不同情况下的涡量对比可知，板线系统可以有效加快航空器尾流的耗散，尾涡主涡在遭遇板线系统中的各个板状线时受到阻滞分离作用，结构遭到破坏，形成大小形态不同的二次涡，二次涡围绕主涡运动，触发Rayleigh-Ludwieg相交不稳定性，与主涡发生干涉，使主涡结构失稳，加速耗散。

尾流强度也被称为尾涡环量，是尾流流场中任意一条封闭曲线上流体速度的积分。为了能更好的研究尾流强度耗散机理，常选用尾涡诱导速度、涡核半径、下降速度等参数进行表征。根据Kutta–Joukows可知，当飞机速度为V，翼展为B，展弦比A

b

式中：Γ

当飞机受平衡力时，飞机尾涡垂直动量也等于飞机所受重力，尾涡初始环量也可表述为

式中，M为飞机质量；g为当地重力加速度。

根据切向速度和距离涡核中心的径向距离的函数可以定义单个尾涡的环量。具体函数如下：

Γ＝2πrV(r) (6)

故通过分析不同流场截面的切向速度，可以反映板线对尾涡的影响，在此选取z、y方向上的速度进行对比。

图6、图9、图12和图15是无板线作用、间距10m平行板线、间距5m平行板线和复合型板线作用下Z方向上的速度矢量图。

如图8所示，无板线作用下z方向上的速度矢量最大值为2.15m/s，如图9所示，间距10m板线作用下z方向上的速度矢量最大值为2.11m/s，同比下降1.86％。

如图10所示，间距5m板线作用下z方向上的速度矢量最大值为2.02m/s，与无板线作用时相比，下降6.05％。

如图11所示，复合型板线作用下z方向上的速度矢量最大值为2.00m/s，与无板线作用时相比，下降6.98％。

图12、图13、图14和图15是无板线作用、间距10m板线、间距5m板线和复合型板线作用下y方向上的速度矢量图。

如图12所示，无板线作用下y方向上的速度矢量最大值为2.26m/s，如图13所示，间距10m板线作用下y方向上的速度矢量最大值为2.23m/s，同比下降1.33％。图13与图12对比可知，在板线作用下，尾涡的反弹作用更加明显，尾涡涡旋气流受到板线和地面的影响，主涡受到抬升作用，加速耗散。

如图14所示，间距5m板线作用下y方向上的速度矢量最大值为2.17m/s，与无板线作用时相比，下降3.98％。图14与图12、图13对比可知，板线间距减小，在板线附近生成了更多的二次涡流，加快尾涡耗散。

如图15所示，复合型板线作用下y方向上的速度矢量最大值为1.73m/s，与无板线作用时相比，下降23.45％。图15与图12、图13、图14对比可知，由于在各个板线间增加了相应的垂直板线，对y方向的尾涡运动阻滞更加明显。

综上，通过本发明示例性实施例的尾涡干预装置能够起到极佳的尾涡干预作用，在板线上反弹形成反向涡流，与原有的尾涡涡流相互作用，削弱了主涡的湍流动能。同时，尾涡的下沉运动受到板线和地面的多重干预影响，下洗气流被阻挡，尾涡无法继续下沉，生成的二次涡流对主涡产生抬升作用，在反弹的二次涡流和近地气旋的作用下，尾涡主涡原有的速度场被破坏，加快尾涡强度衰减。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。