基于香港機場近地層典型風場數值仿真研究?

熊興隆 李 貞

（中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室 天津 300300）

1 引言

香港國際機場因其得天獨厚的地理位置成為了世界上最繁忙的貨運樞紐，同時也成為全球最繁忙的客運機場之一。2016年香港國際機場的總客運量達7050萬人次，總航空貨運量共452萬公噸，機場連接了全球220多個航點，每天運行的航班數量在1000班以上。如此大的航班數量以及客流量，如何保障每架航班在航行過程中的安全成為一個十分重要的問題。

香港機場［1～3］位于赤鱲角小島上，三面環海，而南面矗立著山峰高出海平面1000m以上、山谷低至400m的大嶼山，伴隨著一列山脈。對于坐落于地形環境如此復雜區域中的香港國際機場，其上空氣流會因山脈的阻擋問題而產生無法預料的變化，從而更容易誘發低空風切變或湍流等威脅飛機起降安全的氣流擾動現象。據統計［4］，平均每700班進出香港機場的航班中就存在一架航班會遭遇低空風切變，而每2500班航班中會有一班飛行報告中顯示遇到湍流，因此對于香港國際機場而言，分析周圍地形因素對風場帶來何種變化對保證機場航班正常運行是一項十分重要且有意義的研究。

香港國際機場的占地面積達到12.5km2，對于如此大區域的風場探測，若采用常規的測風儀器如風速計則不僅耗費時間、資源而且存在測量誤差導致最終結果出現偏差。隨著計算機技術及數值計算方法的成熟發展，CFD［5～7］，即計算流體力學在大氣風場中的應用也逐步受到科研學者的重視，它通過數值求解控制流體流動的微分方程來得到流體流動的流場在連續區域上的離散分布，屬于現代模擬仿真技術中的一種。2012年，杜強［8］等基于Reynolds時均N-S方程和常用湍流模型對簡單結構不同高度的風壓分布進行數值模擬并分析了結構表面風壓的分布特性；2013年李莉［9］等使用CFD軟件進行短期內的風速預測，經驗證得到這種方法不僅預測精度高而且穩定性好；2016年余文馨［10］等使用CFD的標準k-ε模型對分析了城市中不同風速條件下街區內風場氣流變化規律。本文運用CFD軟件以香港國際機場周圍地形為底層構建長度為20km、寬度為10km和高度為2km的空間矩形場，選取兩種典型風場:地形風和下擊暴流進行數值仿真，得到包含實際地形和典型風場的空間模型，再對選定的固定高度層200m、400m、600m和800m的近地層風速變化情況進行分析，得到香港國際機場周圍地形對上空大氣風場風速的影響情況。

2 空間建模與風場數值仿真

2.1 機場周圍真實地形仿真

2.1.1 高程地形數據提取

獲取真實地形海拔高度數據有航拍、現場測繪及參照共享數據庫等方法。航拍可獲取大范圍高精度數據但成本較高；現場測繪適用于小范圍高精度數據的獲取；精度要求不高的大范圍高程數據的獲取可參照免費共享數據庫。本研究參照谷歌地球提供的免費海拔數據，通過香港國際機場的經緯度在谷地（GoodyGIS）軟件上對其周圍的地形數據進行提取，區域范圍為20km×10km，分辨率為200m，共提取4522個點，提取得到的部分高程數據如表1所示。

2.1.2 空間坐標轉換

谷地（GoodyGIS）軟件提取得到的地形數據采用的是經緯度坐標系，要得到能夠導入CFD前處理器Gambit的數據，需要通過編程處理時限格式轉換，轉變為Gambit能夠識別的長（x）、寬（y）、高（z）坐標。選取經度的最小值和緯度最小值的點作為坐標原點（0，0），可采取以下算法計算于坐標原點的距離，作為每一點的x、y坐標。

上式中，E為該點的經度值，Emin為經度的最小值，r為地球半徑，N為該點的緯度值，Nmin為緯度的最小值，通過坐標轉換后再結合高度坐標z就得到提取區域地形的三維直角坐標值。

2.1.3 真實地形繪制

應用Gambit繪制點、線、面的命令，結合Gambit的journal功能編程可實現點、線、面的繪制。按照先生成點，再連點成線，最后每三條線段連接成一個三角形面的原則，得到與衛星照片具有較高吻合程度的凹凸有致的起伏地形如圖1所示，可以看出繪制的地形能夠較客觀地還原真實香港國際機場周圍地形特點。

圖1 香港機場真實地形仿真圖

2.2 計算域建模

由于香港機場南邊的山脈高達1000多米，為使流場得到充分發展，選擇計算域的高度為2km，最終在Gambit中建立的空間模型如圖2所示。

CFD的數值算法就是將實際問題的求解區域進行離散，即對求解區域進行精細化網格劃分，由于計算域范圍比較大，受計算機硬件條件的限制，選用六面體機構網格進行劃分，這種網格計算快，易收斂。近地表的風場變化劇烈，在地表添加了邊界層，對地表網格進行了加密處理，對地表定義尺寸函數（Size Function）確保地面網格足夠細密，第一層網格高度為20m，網格增長率為1.1，地面網格分辨率為100m*100m，模型的網格劃分如圖3。

圖2 計算域示意圖

圖3 精細化網格劃分示意圖

2.3 典型風場仿真

風切變定義為兩點之間風的矢量差，即在同一高度或者不同高度短距離內風向和風速的變化。通常將發生高度在800m以下的風切變稱為低空風切變［11～12］，20世紀70年代以來，對一些大型運輸機在起降時發生的嚴重事故的分析確認，低空風切變是引起這些飛機失事的主要原因。本文主要對地形風［13］和下擊暴流兩種典型風場進行了數值仿真分析，因為這兩種風場包含了對飛機起降安全威脅最大的低空風切變的所有風場特性。

2.3.1 地形風場仿真

在Gambit中對劃分好網格的空間模型完成對風速入口面、壓力出口面以及對空間流體的設置，如圖4所示，本文需要研究大嶼山及山脈對地形風的影響，故入口風來向設定為西北方向，如圖5所示。

將Gambit中設定好的空間模型導入Fluent中來模擬地形風，地面邊界層風切變的指數模型數學表達式如式（3）所示:

式中，V0為參考高度H0上的風速，指數m的取值與地形類型有關［14］。本文對地形風仿真的初始條件為V0=6.5m/s，H0=200m，m=0.25，得到速度入口面風速隨高度的變化曲線如圖6所示。

圖4 地形風場邊界面示意圖

圖5 地形風入口風速方向示意圖

圖6 地形風入口面風速變化圖

湍流模型選用RNG（重整化群）k-ε模型。重整化群k-ε模型是對瞬時的Navier-Stokes方程用重整化群的數學方法推導出來的模型，近壁面區選擇非平衡壁面函數。

2.3.2 下擊暴流風場仿真

對于下擊暴流的風場建模，以往的研究人員所使用的風場模型主要有兩種［15］:Caracenad提出的環形渦流模型（the Ring Vortex Model）和Hjelmfelt提出的壁面射流模型（the Impinging Wall Jet Model）。通過對這兩種風場模型進行比較發現無論是在理論背景方面還是在實驗室物理縮尺模擬所顯示的結果方面，都表明壁面射流模型與實際尺度下擊暴流風場的觀測記錄具有更好的一致性，故本文選擇壁面射流模型作為模擬微下擊暴流風的風場計算模型。

下擊暴流是強的下沉氣流引起的近地面破壞性強風，故其入口風速是從上至下垂直吹向地面，邊界面的設置如圖7所示，入口面大小設為500m*500m，中心處于平面坐標在x=5000m、y=7000m附近，入口風速為設為常數值15m/s，方向垂直向下，壁面函數保持默認設置。

圖7 下擊暴流風場邊界面示意圖

3 實驗結果分析

3.1 地形風場結果

對地形風仿真風場，選取不同近地高度層的風速矢量圖進行比較分析，選取z=200m、400m、600m、800m四個固定高度的風速矢量變化情況，得到風矢量的分布情況如圖8（a）、（b）、（c）、（d）所示。

圖8 風速矢量圖

通過圖8四張圖可以看出，香港國際機場位于大嶼山脈的東南方向，從西北方向吹來的風繞過山脈后，使得香港國際機場上空的風場呈現不均勻分布特性，且隨著高度的增加，風速值逐漸增大，對于此時在機場起降的飛機而言，容易遭遇順逆風切變。

接著挑選出y=7000m剖面中上述四個高度層的風速值隨著水平位置的變化情況并放置于同一坐標系中進行對比分析，如圖9所示。

圖9 各高度層風速隨水平距離變化曲線圖

圖中line1-line4表示高度層分別為200m～800m的風速隨水平距離變化的曲線。從曲線變化上來看，高度層越低，曲線變化劇烈程度越高，地形對風速的影響越大，相應的風速切變程度越大，相反高度層越高，曲線變化程度趨于平緩，說明此時地形對風速的影響不大。

3.2 下擊暴流風場結果

對于下擊暴流仿真風場，截取z=80m的近地層風矢量剖面如圖10（a）所示，截取y=7000m剖面并對其局部放大后如10（b）所示。從圖中可以觀察到，下擊暴流產生的主渦環沖擊地面后開始沿徑向移動，在近地面附近主渦環的后方產生了大量不穩定的渦旋氣流。

圖10 風矢量部面圖

接著對比y=7000m的四個近地高度層的風速在x、y、z方向分量的變化曲線，如圖11（a）、（b）、（c）所示。從風速分量分布曲線上可以看出，在下擊暴流沖擊地面的近地層兩側存在嚴重水平風水平切變、水平風垂直切變及垂直風切變。在下擊暴流中心的兩側，隨著高度層的增加水平風風速逐漸減小，在中心區，水平風速幾乎為0；在下擊暴流的中心區，隨著高度層的增加垂直風風速逐漸變大，在中心的外側，垂直風速將以一個很小的值變化。

4 結語

本文選取了香港國際機場周圍的特殊地理環境，使用CFD軟件模擬了復雜地形和典型風切變共存情況下的精細化仿真風場空間，并對比了香港機場近地面的四個固定高度層200m、400m、600m、800m的風速隨水平距離而變化的曲線。結果表明隨著高度層的降低，風速的變化逐步劇烈，風切變程度也逐漸增大，證明山及山脈的存在會增加誘發低空風切變形成的機率；當下擊暴流俯沖到地面后沿徑向移動時，由于山脈的存在對氣流產生阻礙，會改變氣流的運動方向而產生渦旋氣團，此時容易在機場附近因風向的突然改變而產生低空風切變。

圖11 方向風速曲線

綜上所述，復雜地形的存在對低空風切變的形成起到促進作用，本文的研究內容對今后民航機場選址以及航空飛行安全等問題均有較大程度的參考價值。