Parametric Study of Crow Instability in Aircraft Wake Vortices Using Large Eddy Simulation

Abstract

항공기 와후류는 쉽게 소산되지 않고 일정 시간 대기 중에 머무르는 성질이 있다. 와후류의 거동 및 소산은 Crow 불안정성 (Crow instability) 이라고 불리는 현상과 밀접한 연관이 있음이 알려져 있으며, 평행한 한 쌍의 와후류가 불안정성 영향으로 만나 고리를 형성하며 소산되는 과정이 특징적이다. 때문에 비행기로부터 발생한 한 쌍의 와후류 소산 과정이 대기조건에 따라 어떻게 달라지는지에 대한 연구가 그간 이루어져왔다. 그러나 공항이 운용됨에 있어서 평행한 활주로에서의 횡풍에 의한 와후류 이동, 항로 교차에 의한 두 쌍의 와후류가 상호작용하는 거동 및 소산이 발생할 가능성이 있으나, 아직 이와 관련한 연구는 부족하다. 이에 본 연구에서는 한 쌍의 와후류가 단독으로 거동했을 때와, 와후류 쌍이 다른 와후류 쌍과 상호 영향을 주고 받으며 거동할 때의 차이를 LES 난류모델을 이용해 해석하였다. 와후류는 항공기 최대이륙질량에 따라 소형(light), 중형(medium), 및 대형(heavy) 급 항공기의 와후류 매개변수를 선정하여 Burnham-Hallock 모델로 모사하였다. 그 결과 소형–중형 상호작용 시 두 쌍의 와후류 수명이 모두 짧아지는 것을 확인하였다. 또한 중형–중형 상호작용 시 와후류가 합쳐지며 순환이 일시적으로 강해졌다가 소산되는 것이 확인되었으며, 중형–대형 상호작용 시 대형 항공기 와후류가 단독 거동 와후류 대비 약 5배 빠르게 연결되는 결과가 나타났다. 대형 항공기에 의한 와후류가 순환 강도가 크고, 오랜 시간동안 그 강도가 유지되기 때문에 중형–대형 상호작용의 결과는 공항의 활주로 이용 효율을 높이기 위한 이·착륙 분리간격 조정 시 반영이 가능할 것으로 판단된다.

Aircraft wake vortices are not easily dissipated so they stay in the atmosphere for a certain period of time. It is known that the transport and decay of wake vortices are closely related to the phenomenon called Crow instability. A parallel pair of wake vortices links due to the long-wave sinusoidal instability, and forms a ring while dissipating rapidly. To predict the behavior of wake vortices, research has been conducted dealing with the effect of atmospheric conditions such as eddy dissipation rate, and stratification level. In various conditions, only a single pair of wake vortices was superimposed to the computational domain. However, there is a possibility of interactions among vortices where runways are parallel so that a pair of vortices from an aircraft moves to another runway path due to crosswind. In addition, the interaction can happen where the flight paths are crossing each other, so it is necessary to analyze the difference between the behavior of a pair of wake vortices and the transport and decay of two pairs of wake vortices. In this paper, parametric study of aircraft wake vortices are conducted using large eddy simulation (LES) turbulence model. Vortex parameters were selected for light, medium, and heavy aircraft and the velocity distribution of a vortex was modeled using Burnham-Hallock vortex model. As a result, it was confirmed that the vortex lifespan was shortened in light – medium interaction. In medium – medium interaction case, the circulation strength became temporarily stronger as vortices were combined and then they were dissipated. It was also found that in medium – heavy interaction case, the linking of vortices from heavy aircraft happened 5 times faster than the case of a single pair of vortices from heavy aircraft without interaction. Since the vortices from large aircraft have high circulation which maintains for a long time, the results from medium – heavy interaction case can be reflected to the adjustment of separating interval between airplanes to improve airport efficiency.