Förbättrade modeller för flygbuller som även inkluderar effekten av väder o vind

Transkript

1 Förbättrade modeller för flygbuller som även inkluderar effekten av väder o vind Projekt SAFT Simulering av Atmosfär och Flygtrafik för en Tystare omgivning Ulf Tengzelius KTH-MWL

2 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 2

3 1. Kopplingen Buller och Hållbarhet FN:s, och världens alla länders,17 globala hållbarhetsmål: FN:s utvecklingsprogram, UNDP: 3

4 (forts. 1. Kopplingen mellan Buller och Hållbarhet) Hur kopplar Bullerfrågor till FN:s nr 3 av de Globala målen: Hälsa och välbefinnande? 3. Säkerställa att alla kan leva ett hälsosamt liv och verka för alla människors välbefinnande i alla åldrar 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 trafikolyckor 1.5M DALYs 3.7M DALYs D.v.s. Buller ska inte reduceras till en fråga om endast komfort!!! 4

5 2. Flygbuller idag och i framtiden Flygtrafik i såväl Sverige som internationellt bedöms öka 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 5

6 (forts. 2. Flygbuller idag och i framtiden) Möjligheter att reducera framtida flygbuller - ICAO (2001) Reduction/redistribution of noise around the airport Enable full use of modern aircraft capabilities Various departure & approach procedures: o o o o o Displaced thresholds (landing/take off positions) Reduced power/drag and CDA (Continuous Descent Approach) Limited engine ground running Noise preferential routes/runways SID 1 /STAR 2 and RNAV 3 procedures optimisation and design 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. 1) SID = Standard Instrument Departure 2) STAR = Standard Terminal Arrival Route 3) RNAV = Area Navigation a method of instrument flight rules (IFR) navigation 6

7 3. SAFT målsättning 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 7

8 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) 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 8

9 (forts 4. Behovet av ett simuleringsverktyg typ SAFT?) 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 Simulation tools Integrated tools Typical application Single event operations Combined fleet, yearly mean Sound source Source data availability Separated from propagation Semi-empirical, physics-based Frequency and space resolved Limited open data available Merged with propagation Measured Frequency and directivity info missing Good 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 procedures Yes - Possible to simulate No - or very limited possibilities Time history for noise events Yes - 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 studies Yes possible to simulate new aircraft or engine concepts No not possible to include Computational time Computationally more heavy Computationally fast *) ANP = The Aircraft Noise and Performance Database including the NPD Noise Power Distance - data 9

10 5. Andra simuleringsverktyg 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! 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! 10

11 6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT Ett samarbete mellan KTH-MWL, Chalmers Tillämpad Mekanik/Turbomaskiner och Novair + systerprojektet Brantare och mätförstudien ULLA CTH KTH Future use in studies of: - Operations - New engines - With: WP1 Flight operations & Study Input FDR - data Novair WP2 Flight mechanics & Engine conditions WP3 Sound sources Meteorological data (atmosphere profiles) WP4 Sound propagation WP5 Noise mapping (+sound synthesis) 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 - Noise effects estimation - Evaluations support - Information and dissemination of knowledge - 11

12 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 Recorder Verkliga inspelade data! Viktiga för validering av modeller för ljudkällor! 12

13 Flight mechanics & Engine conditions ( forts. 6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT) 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 13

14 Sound sources ( forts. 6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT) Typiskt uttryck för semi-empirisk beskrivning av ljudkälla: Engine noise sorces: Fan Compressor Combustor Turbine Jet * 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 Airframe noise sources: Flaps Slats Rudders (Boundary Layers) Landing Gear f frequency a ambient sound speed L characteristic length of sound source 14

15 Sound propagation ( forts. 6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT) Sound rays (bends/refract due to gradients in atmospheric properties, wind, ) Turbulence Wind (varying with altitude) (direct) sound illumination sound shadow weak diffuse sound illumination 15

16 Noise mapping ( forts. 6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT) Exempel test i SAFT förstudie, funktionalitet: Beräkningsnät ( grid ) som följer ground track Bullerkarta för en A approach Ljudkälla m.h.a. s.k. retrofit -metod baserad på ANP-data (från EUprojekt IMAGINE) Underestimering av EPNL-nivåer jämfört med certifieringsdata 16

17 forts. Noise mapping (6. Det planerade simuleringsverktyget SAFT) Exempel skillnad i bullereffekt (antal utsatta för viss ljudnivå) vid flyttning av flygrutt 17

18 7. Exempel på existerande system för väderberoende ljudutbredning Prognosverktyg för artilleribuller utvecklat av Ulf Tengzelius och Ilkka Karasalo KTH-MWL. 18

19 Slut tack! 19