Förbättrade modeller för flygbuller som även inkluderar ...
Transcript of Förbättrade modeller för flygbuller som även inkluderar ...
Förbättrade modeller för flygbuller som
även inkluderar effekten av väder o vind
Projekt SAFTSimulering av Atmosfär och Flygtrafik för
en Tystare omgivning
Ulf Tengzelius KTH-MWL
Innehåll
1. Kopplingen Buller och Hållbarhet
2. Flygbuller - idag och i framtiden
3. SAFT – målsättning
4. Behovet av ett simuleringsverktyg typ SAFT?
(”INM, ECAC Doc.29 finns ju redan?”)
5. Andra simuleringsverktyg
6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT
7. Exempel på existerande system för väderberoende ljudutbredning
Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016 2
1. Kopplingen Buller och Hållbarhet
Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016 3
FN:s utvecklingsprogram, UNDP: http://www.globalamalen.se/om-globala-malen/
FN:s, och världens alla länders,17 globala hållbarhetsmål:
4Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
Hur kopplar Bullerfrågor till FN:s nr 3 av de Globala målen: ”Hälsa och välbefinnande” ?
…(forts. 1. Kopplingen mellan Buller och Hållbarhet)
”3. Säkerställa att alla kan leva ett hälsosamt liv och verka för alla människors välbefinnande i alla åldrar”
D.v.s. Buller ska inte reduceras till en fråga om endast komfort !!!
• 2011 WHO studie: “Burden of disease from environmental noise. Quantification of healthy life years lost in Europe”
• I termer av “Disability-Adjusted Life-Years (DALYs) i Europa tillskrivs “omgivningsbuller” ca 1.6M DALYs per år bl.a. genom hjärt-kärlsjukdomar kopplade till buller
• Jämfört med, DALYs (i Europa per år):“luftföroreningar utomhus” 1.5M DALYs“trafikolyckor” 3.7M DALYs
Flygtrafik i såväl Sverige som internationellt bedöms öka
2. Flygbuller idag och i framtiden
5Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
Förväntad ljudreduktion hos nya flygplan tenderar att plana ut
Ökad insikt kring bullereffekters inverkan på människan och
höjt engagemang hos allmänheten och tillsynsmyndigheter
1. Nya åtgärder kommer att krävas för att klara av framtidens
bullerkrav
2. Behov av att bättre förstå och simulera flygtrafik/ljudutbredning
för att finna de effektivaste sätten att åstadkomma buller-
/störningsreduktion med dagens och morgondagens flygtrafik
6Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
…(forts. 2. Flygbuller idag och i framtiden)
Möjligheter att reducera framtida flygbuller - ICAO (2001)
SAFT: An aircraft environmental noise simulation tool
which enables atmosphere dependencies to be included in studies of new procedures as well as new aircraft/engine designs.
• Reduction/redistribution of noise around the airport
• Enable full use of modern aircraft capabilities
• Various departure & approach procedures:
o Displaced thresholds (landing/take off positions)
o Reduced power/drag and CDA (Continuous Descent Approach)
o Limited engine ground running
o Noise preferential routes/runways
o SID1/STAR2 and RNAV3 procedures optimisation and design
1) SID = Standard Instrument Departure2) STAR = Standard Terminal Arrival Route3) RNAV = “Area Navigation” a method of instrument flight
rules (IFR) navigation
3. SAFT – målsättning
7Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
Etablera ett svenskt simuleringsverktyg som tar hänsyn till hela kedjan:
flygbanor – flygmekanik/drifttillstånd – individuella ljudkällor– atmosfärsberoende ljudutbredning –bullerkonturer/tidssignaler – studier – slutsatser – åtgärder
Möjliggöra framtida flygtrafikstudier m.a.p. buller, effekter av:
operationella förändringar
typiska eller aktuella väderförhållanden, ”buller prognoser”
optimering av bananvändningsmönster
nya flygplans-/motorkoncept
nya landningsbanor, rutiner vid motorprovning, …
Generera ny kunskap och verka för spridning av den:
bygga nätverk genom samverkan mellan industri, akademi och myndigheter
finna nya vägar för att reducera effekter av flygbuller
Stärka svensk forskning långsiktigt :
ramverk för implementering av metoder utvecklade på svenska universitet
katalysator för att etablera och utveckla samarbeten
4. Behovet av ett simuleringsverktyg typ SAFT? (”INM, ECAC Doc.29 finns ju redan…?”)
INM och andra program, baserade på s.k. ”Integrerade metoder” som ECAC Doc.29, används för kartläggning av buller kring svenska flygplatser
Syftet främst att studera årsvisa effekter
Metoderna är vägledande i rättsliga processer (framför t.ex. ljudmätningar)
8Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
fungerar i stort sett bra för sitt syfte, men de medger, i motsats till s.k. simuleringsmetoder, i de flesta fall inte realistiska studier av :
Bullerreducerande flygprocedurer
Ny teknologi för motorer och flygplansdesign
Vädrets effekter, typiska eller aktuella -”verkliga” , för bullersituationen på marken
(forts 4. Behovet av ett simuleringsverktyg typ SAFT?)
9Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
Simulation tools Integrated tools
Typical application Single event operations Combined fleet, yearly mean
Sound source
Separated from propagation
Semi-empirical, physics-based
Frequency and space resolved
Merged with propagation
Measured
Frequency and directivity info missing
Source data availability Limited open data availableGood OASPL data found in the open ANP*-
database
Sound propagation Yes - separated from sound source No - not separated from source
Studies of noise abatement flight
proceduresYes - Possible to simulate No - or very limited possibilities
Time history for noise eventsYes - Possible to simulate (as well as
listening tests based on these)No – not possible to extract
Atmosphere impact Yes - Possible to include No - not included (ANP/NPD data established
under certain “standard atm. conditions”)
New technology studiesYes – possible to simulate new aircraft
or engine conceptsNo – not possible to include
Computational time Computationally more “heavy” Computationally fast
Ett flygbullersimuleringsprogram som SAFT kan i nuläget ses som ett komplement till INM/ECAC Doc.29
Först på längre sikt – 10-tals år? – är det rimligt att de integrerade metoderna ersätts av simuleringsmetoder
*) ANP = The Aircraft Noise and Performance Database including the NPD –Noise Power Distance - data
ANOPP, NASA med rötter från ca 1975/80. Före sin tid – nu aktualiserat, p.g.a. snabbare datorer, och vidareutvecklat
Många modeller för ljudkällor fortfarande använda
Till stor del öppet och tillgängligt!
10Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
5. Andra simuleringsverktyg
FLIGHT – University of Manchester. Tycks välutvecklat, stor vikt läggs vid
flygmekanik, mindre på atmosfär/ljudutbredning
SOPRANO – Anotec Spanien. Ansats till väderberoende ljudutbredning
CARMEN(ONERA) och VCNS(NLR) – centralt: återskapande och
syntetisering av ljud från bullerhändelser
PANAMA (DLR –Tyskland) – Hög nivå, god tillgång till valideringsdata från
mätningar
SONAIR EMPA Schweiz ,…
”Nya”, efter ca 2000, men: Helt slutna alt. kommersiella utan tillgång till källkod!
6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT
11Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
FDR - data
Meteorological data
(atmosphere profiles)
Novair
Ett samarbete mellan KTH-MWL, Chalmers Tillämpad Mekanik/Turbomaskiner och Novair + systerprojektet Brantare och mätförstudien ULLA
Future use in
studies of: - Operations
- New engines
- …
With:
- Noise effects
estimation
- Evaluations
support
- Information
and
dissemination
of knowledge
- …
WP0 = Support programs, data and systems
WP6 = System architecture/interfaces, in- and output data, testing of complete chain
WP7 = Project management work and time plan
CTHKTH
WP5
Flight mechanics &
Engine conditions
WP2
WP1
Flight operations
& Study Input
Sound
sources
WP3
Noise mapping
(+sound synthesis)
WP4
Sound
propagation
12Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
Flight operations
& Study Input(…forts. 6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT)
Olika sätt för att skapa flygbanor för given flygplanstyp:
”Standard Procedures” från ANP-databas (i implementering av ECAC doc 29 i SAFT)
PEP (Airbus Performance Engineers Program - flygsimulering)
Egna CTH verktyg
BADA (?) Base of Aircraft Data – Eurocontrol(”alla flygplanstyper”)
FDR- Flight Data RecorderVerkliga inspelade data!Viktiga för validering av modeller för ljudkällor!
13Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
(…forts. 6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT)Flight mechanics &
Engine conditions
Etablera termodynamisk modell av aktuell flygmotor m.h.a. öppna data och CTH-programmet GESTPAN*
Länka med flygmekanikmodell
Kör flygplans- och motormodell för att etablera samband mellan drift-/flygtillstånd och strömnings-/termodynamiska variabler som utgör input till modeller för ljudkällor …
*) GEneral Stationary and Transient Propulsion ANalysis
14Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
Sound sources
Typiskt uttryck för semi-empiriskbeskrivning av ljudkälla:
* nondimensional acoustic power
D directivity function
F spectral shape function
M Mach number
R* nondimensional physical propagation distance R (normalized by wingspan)
, φ polar and azimuthal directivity angles
f frequencya ambient sound speedL characteristic length of sound source
Engine noise sorces:
Fan
Compressor
Combustor
Turbine
Jet
Airframe noise sources:
Flaps
Slats
Rudders
(Boundary Layers)
Landing Gear
(…forts. 6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT)
15Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
Sound
propagation
(direct) sound
illumination
Turbulence
sound shadow –
weak diffuse sound illumination
Wind (varying
with
altitude)
Sound rays(bends/refract due to
gradients in
atmospheric
properties, wind, … )
(…forts. 6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT)
16Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
Noise mapping
Exempel test i SAFT förstudie, funktionalitet:
Beräkningsnät (“grid”) som följer “ground track”
Bullerkarta för en A320-200 approach
Ljudkälla m.h.a. s.k. ”retrofit”-metod baserad på ANP-data (från EU-
projekt IMAGINE)
Underestimering av EPNL-nivåer jämfört med certifieringsdata
(…forts. 6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT)
17Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
… forts. Noise mapping
Exempel skillnad i bullereffekt (antal utsatta för viss ljudnivå) vid flyttning av flygrutt
(6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT)
7. Exempel på existerande system för väderberoende ljudutbredning
18Projekt SAFT CSA workshop 3 oktober 2016
Prognosverktygför artilleribullerutvecklat av Ulf Tengzelius ochIlkka KarasaloKTH-MWL.