基于香港机场近地层典型风场数值仿真研究∗

2019-06-01熊兴隆

计算机与数字工程 2019年5期

熊兴隆李贞

（中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室天津 300300）

1 引言

香港国际机场因其得天独厚的地理位置成为了世界上最繁忙的货运枢纽，同时也成为全球最繁忙的客运机场之一。2016年香港国际机场的总客运量达7050万人次，总航空货运量共452万公吨，机场连接了全球220多个航点，每天运行的航班数量在1000班以上。如此大的航班数量以及客流量，如何保障每架航班在航行过程中的安全成为一个十分重要的问题。

香港机场［1～3］位于赤鱲角小岛上，三面环海，而南面矗立着山峰高出海平面1000m以上、山谷低至400m的大屿山，伴随着一列山脉。对于坐落于地形环境如此复杂区域中的香港国际机场，其上空气流会因山脉的阻挡问题而产生无法预料的变化，从而更容易诱发低空风切变或湍流等威胁飞机起降安全的气流扰动现象。据统计［4］，平均每700班进出香港机场的航班中就存在一架航班会遭遇低空风切变，而每2500班航班中会有一班飞行报告中显示遇到湍流，因此对于香港国际机场而言，分析周围地形因素对风场带来何种变化对保证机场航班正常运行是一项十分重要且有意义的研究。

香港国际机场的占地面积达到12.5km2，对于如此大区域的风场探测，若采用常规的测风仪器如风速计则不仅耗费时间、资源而且存在测量误差导致最终结果出现偏差。随着计算机技术及数值计算方法的成熟发展，CFD［5～7］，即计算流体力学在大气风场中的应用也逐步受到科研学者的重视，它通过数值求解控制流体流动的微分方程来得到流体流动的流场在连续区域上的离散分布，属于现代模拟仿真技术中的一种。2012年，杜强［8］等基于Reynolds时均N-S方程和常用湍流模型对简单结构不同高度的风压分布进行数值模拟并分析了结构表面风压的分布特性；2013年李莉［9］等使用CFD软件进行短期内的风速预测，经验证得到这种方法不仅预测精度高而且稳定性好；2016年余文馨［10］等使用CFD的标准k-ε模型对分析了城市中不同风速条件下街区内风场气流变化规律。本文运用CFD软件以香港国际机场周围地形为底层构建长度为20km、宽度为10km和高度为2km的空间矩形场，选取两种典型风场:地形风和下击暴流进行数值仿真，得到包含实际地形和典型风场的空间模型，再对选定的固定高度层200m、400m、600m和800m的近地层风速变化情况进行分析，得到香港国际机场周围地形对上空大气风场风速的影响情况。

2 空间建模与风场数值仿真

2.1 机场周围真实地形仿真

2.1.1 高程地形数据提取

获取真实地形海拔高度数据有航拍、现场测绘及参照共享数据库等方法。航拍可获取大范围高精度数据但成本较高；现场测绘适用于小范围高精度数据的获取；精度要求不高的大范围高程数据的获取可参照免费共享数据库。本研究参照谷歌地球提供的免费海拔数据，通过香港国际机场的经纬度在谷地（GoodyGIS）软件上对其周围的地形数据进行提取，区域范围为20km×10km，分辨率为200m，共提取4522个点，提取得到的部分高程数据如表1所示。

2.1.2 空间坐标转换

谷地（GoodyGIS）软件提取得到的地形数据采用的是经纬度坐标系，要得到能够导入CFD前处理器Gambit的数据，需要通过编程处理时限格式转换，转变为Gambit能够识别的长（x）、宽（y）、高（z）坐标。选取经度的最小值和纬度最小值的点作为坐标原点（0，0），可采取以下算法计算于坐标原点的距离，作为每一点的x、y坐标。

上式中，E为该点的经度值，Emin为经度的最小值，r为地球半径，N为该点的纬度值，Nmin为纬度的最小值，通过坐标转换后再结合高度坐标z就得到提取区域地形的三维直角坐标值。

2.1.3 真实地形绘制

应用Gambit绘制点、线、面的命令，结合Gambit的journal功能编程可实现点、线、面的绘制。按照先生成点，再连点成线，最后每三条线段连接成一个三角形面的原则，得到与卫星照片具有较高吻合程度的凹凸有致的起伏地形如图1所示，可以看出绘制的地形能够较客观地还原真实香港国际机场周围地形特点。

图1 香港机场真实地形仿真图

2.2 计算域建模

由于香港机场南边的山脉高达1000多米，为使流场得到充分发展，选择计算域的高度为2km，最终在Gambit中建立的空间模型如图2所示。

CFD的数值算法就是将实际问题的求解区域进行离散，即对求解区域进行精细化网格划分，由于计算域范围比较大，受计算机硬件条件的限制，选用六面体机构网格进行划分，这种网格计算快，易收敛。近地表的风场变化剧烈，在地表添加了边界层，对地表网格进行了加密处理，对地表定义尺寸函数（Size Function）确保地面网格足够细密，第一层网格高度为20m，网格增长率为1.1，地面网格分辨率为100m*100m，模型的网格划分如图3。

图2 计算域示意图

图3 精细化网格划分示意图

2.3 典型风场仿真

风切变定义为两点之间风的矢量差，即在同一高度或者不同高度短距离内风向和风速的变化。通常将发生高度在800m以下的风切变称为低空风切变［11～12］，20世纪70年代以来，对一些大型运输机在起降时发生的严重事故的分析确认，低空风切变是引起这些飞机失事的主要原因。本文主要对地形风［13］和下击暴流两种典型风场进行了数值仿真分析，因为这两种风场包含了对飞机起降安全威胁最大的低空风切变的所有风场特性。

2.3.1 地形风场仿真

在Gambit中对划分好网格的空间模型完成对风速入口面、压力出口面以及对空间流体的设置，如图4所示，本文需要研究大屿山及山脉对地形风的影响，故入口风来向设定为西北方向，如图5所示。

将Gambit中设定好的空间模型导入Fluent中来模拟地形风，地面边界层风切变的指数模型数学表达式如式（3）所示:

式中，V0为参考高度H0上的风速，指数m的取值与地形类型有关［14］。本文对地形风仿真的初始条件为V0=6.5m/s，H0=200m，m=0.25，得到速度入口面风速随高度的变化曲线如图6所示。

图4 地形风场边界面示意图

图5 地形风入口风速方向示意图

图6 地形风入口面风速变化图

湍流模型选用RNG（重整化群）k-ε模型。重整化群k-ε模型是对瞬时的Navier-Stokes方程用重整化群的数学方法推导出来的模型，近壁面区选择非平衡壁面函数。

2.3.2 下击暴流风场仿真

对于下击暴流的风场建模，以往的研究人员所使用的风场模型主要有两种［15］:Caracenad提出的环形涡流模型（the Ring Vortex Model）和Hjelmfelt提出的壁面射流模型（the Impinging Wall Jet Model）。通过对这两种风场模型进行比较发现无论是在理论背景方面还是在实验室物理缩尺模拟所显示的结果方面，都表明壁面射流模型与实际尺度下击暴流风场的观测记录具有更好的一致性，故本文选择壁面射流模型作为模拟微下击暴流风的风场计算模型。

下击暴流是强的下沉气流引起的近地面破坏性强风，故其入口风速是从上至下垂直吹向地面，边界面的设置如图7所示，入口面大小设为500m*500m，中心处于平面坐标在x=5000m、y=7000m附近，入口风速为设为常数值15m/s，方向垂直向下，壁面函数保持默认设置。

图7 下击暴流风场边界面示意图

3 实验结果分析

3.1 地形风场结果

对地形风仿真风场，选取不同近地高度层的风速矢量图进行比较分析，选取z=200m、400m、600m、800m四个固定高度的风速矢量变化情况，得到风矢量的分布情况如图8（a）、（b）、（c）、（d）所示。

图8 风速矢量图

通过图8四张图可以看出，香港国际机场位于大屿山脉的东南方向，从西北方向吹来的风绕过山脉后，使得香港国际机场上空的风场呈现不均匀分布特性，且随着高度的增加，风速值逐渐增大，对于此时在机场起降的飞机而言，容易遭遇顺逆风切变。

接着挑选出y=7000m剖面中上述四个高度层的风速值随着水平位置的变化情况并放置于同一坐标系中进行对比分析，如图9所示。

图9 各高度层风速随水平距离变化曲线图

图中line1-line4表示高度层分别为200m～800m的风速随水平距离变化的曲线。从曲线变化上来看，高度层越低，曲线变化剧烈程度越高，地形对风速的影响越大，相应的风速切变程度越大，相反高度层越高，曲线变化程度趋于平缓，说明此时地形对风速的影响不大。

3.2 下击暴流风场结果

对于下击暴流仿真风场，截取z=80m的近地层风矢量剖面如图10（a）所示，截取y=7000m剖面并对其局部放大后如10（b）所示。从图中可以观察到，下击暴流产生的主涡环冲击地面后开始沿径向移动，在近地面附近主涡环的后方产生了大量不稳定的涡旋气流。

图10 风矢量部面图

接着对比y=7000m的四个近地高度层的风速在x、y、z方向分量的变化曲线，如图11（a）、（b）、（c）所示。从风速分量分布曲线上可以看出，在下击暴流冲击地面的近地层两侧存在严重水平风水平切变、水平风垂直切变及垂直风切变。在下击暴流中心的两侧，随着高度层的增加水平风风速逐渐减小，在中心区，水平风速几乎为0；在下击暴流的中心区，随着高度层的增加垂直风风速逐渐变大，在中心的外侧，垂直风速将以一个很小的值变化。

4 结语

本文选取了香港国际机场周围的特殊地理环境，使用CFD软件模拟了复杂地形和典型风切变共存情况下的精细化仿真风场空间，并对比了香港机场近地面的四个固定高度层200m、400m、600m、800m的风速随水平距离而变化的曲线。结果表明随着高度层的降低，风速的变化逐步剧烈，风切变程度也逐渐增大，证明山及山脉的存在会增加诱发低空风切变形成的机率；当下击暴流俯冲到地面后沿径向移动时，由于山脉的存在对气流产生阻碍，会改变气流的运动方向而产生涡旋气团，此时容易在机场附近因风向的突然改变而产生低空风切变。