民航课件--晴空湍流
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《民航概论》教学：第三章-航空器活动的环境及导航PPT课件
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43
第三章 第三节 地球运动与时间
（5）协调世界时（UTC）
世界时由于地球公转速度不均匀，且存在着长期变慢的趋 势，每年大约要比原子时慢1秒钟。UTC采用原子秒长对世界 时进行修正，在年中或年末用一整秒调整。
.
5
对飞机的影响
（1）、高度增加，温度下降，飞机结冰，改变了飞机 的气动外形。包括机载设备及机上人员都要受到威胁。（空 调系统的作用）
（2）、风速、风向改变，空气的对流，使飞机颠簸， 风切变对飞机更是有巨大的危害。（风的方向由向南瞬间变 成向北）
（3）、云、雨、雾、雪等影响能见度。尤其是在目视 飞行时，这一点非常糟糕，即使是在现在自动导航设备如此 先进，在起飞和降落的时候还是要目视协助。因此，这一点 对飞机的影响也是巨大的。
粒作为核心、温度下降。
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22
（3）降水
Q 形式：雨、雪、雹，取决于上空云层的垂直温度和地面 温度分布情况。
降水对飞行的影响
1. 降水使能见度减小 2. 过冷雨滴会造成飞机积冰 3. 降水产生的碎雨云影响飞机起降 4. 大雨下方容易出现较强的下降气流 5. 大雨和暴雨能使发动机熄火 6. 大雨恶化飞机的空气动力 7. 降水影响跑道的使用
Q 飞机的性能和大气物理 参数有直接关系
Q 国际标准大气：航空器 设计与制造的标准大气 物理参数
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15
第三章第一节 航空器活动的环境
Q 国际标准大气是以北半球中纬度地区的大气物理性质 的平均值作为基础建立的，并假设空气是理想气体， 满足理想气体方程：P0 =RρT
Q 标准大气的基准是海平面高度,温度15℃，压强为 1013.25hPa（760mmHg），密度为1.225kg/m3 ， 音速为340.294m/s
NUAA流体力学课件
第一部分
流 体 力 学
Fluid Mechanics
张震宇
南京航空航天大学 航空宇航学院
简 介
空气动力学 (Aerodynamics) 课程类别 ：必修课 面对航空类本科生的专业基础课程 42学时
第一部分课程结构
预备知识
偏微分方程、微积分、矢量分析、场论 守恒律、热力学定律 空气动力学、流体力学 Bernoulli 方程、位流理论、基本解、K-J定理 热力学定律、等熵流动、激波理论、高速管流
Fluid element A Streamline B
完全气体状态方程
一般气体状态方程 p p( , T ) 完全气体
分子间作用力忽略不计 假设分子间仅存在完全弹性碰撞且只有在碰撞时才 发生作用 微粒的实有总体积和气体所占空间相比忽略不计
完全气体状态方程： p RT
流体的压缩性
适用于空气的萨特兰公式
T 0 288.15
1.5
288.15 C T C
流体的粘性
n v
v A A
空气粘性实验
空气粘柱实验模型 （卧式转盘）
流体的粘性
流体的热传导特性
Fourier公式
单位时间内通过单位面积所传递的热量与沿 热流方向的温度梯度成正比
压缩性 dp E 体积弹性模量 dV / V 一定质量的气体，体积与密度成反比
d dV V
dp E d
流体的粘性
流体分子的不规则热运动 质量和动量的交换 u 牛顿粘性定律
n
流体的粘性
流 体 力 学
Fluid Mechanics
张震宇
南京航空航天大学 航空宇航学院
简 介
空气动力学 (Aerodynamics) 课程类别 ：必修课 面对航空类本科生的专业基础课程 42学时
第一部分课程结构
预备知识
偏微分方程、微积分、矢量分析、场论 守恒律、热力学定律 空气动力学、流体力学 Bernoulli 方程、位流理论、基本解、K-J定理 热力学定律、等熵流动、激波理论、高速管流
Fluid element A Streamline B
完全气体状态方程
一般气体状态方程 p p( , T ) 完全气体
分子间作用力忽略不计 假设分子间仅存在完全弹性碰撞且只有在碰撞时才 发生作用 微粒的实有总体积和气体所占空间相比忽略不计
完全气体状态方程： p RT
流体的压缩性
适用于空气的萨特兰公式
T 0 288.15
1.5
288.15 C T C
流体的粘性
n v
v A A
空气粘性实验
空气粘柱实验模型 （卧式转盘）
流体的粘性
流体的热传导特性
Fourier公式
单位时间内通过单位面积所传递的热量与沿 热流方向的温度梯度成正比
压缩性 dp E 体积弹性模量 dV / V 一定质量的气体，体积与密度成反比
d dV V
dp E d
流体的粘性
流体分子的不规则热运动 质量和动量的交换 u 牛顿粘性定律
n
流体的粘性
f第六章 湍流2012
u i / xi 0 (note : u i / xi 0)
航空宇航学院空气动力学系
第六章
湍流
（2） 时均动量方程----雷诺方程和雷诺应力：
ji ij u i u i ( uj ) t x j x j x j
ij p i j 2 ij , i j
u y lk 2 2 u y
航空宇航学院空气动力学系
第六章
湍流
**平板湍流边界层混合长度的一个实验测量结果
航空宇航学院空气动力学系
第六章
湍流
** 平板湍流边界层雷诺应力的一个实验测量结果
航空宇航学院空气动力学系
第六章
（三）湍流边界层分层结构
湍流
从湍流边界层动量方程（6.30c）看，形式上与层流边界层 的一样，边界条件也一样，也应存在单一的一组特征流速、
航空宇航学院空气动力学系
第六章
湍流
（二）典型流动中湍流与层流的差别
（1）充分发展的平直圆管流动
64 / Re D（层流） 1/ 4 0.3164/(Re D )
Blasius (1913):Re D 3103 105
航空宇航学院空气动力学系
第六章
（2）顺流平板边界层流动
第六章
湍流
（1）内区的平均速度相似律和层次结构
湍流内区占边界层厚度的10-20% 。
u f ( w , , , y ) u f ( y )
，，
无量纲速度分布常被称为壁面律，是内区平均流速分布的 相似律。 **摩擦速度 ：
U w .
y yU
u u U
u
《航空气象基础知识》PPT课件
咸阳机场能见度小于1000m的日数 全年为80.8天，其中约70％出现在 冬半年（特别是12月和1月）。
风对飞行的影响
起飞、着陆一般是顶风（逆风）以缩短滑跑距离；顺风 会增大起飞和着陆的滑跑距离；侧风则会使飞机偏离跑 道，空中飞行则会偏离航线。在航行飞行时，顺风可以 节省航时和燃料。
侧风对飞行的影响
目前国际航空和气象界公认的飞机起飞和着陆进近 阶段的一个危险因素。
1968-1986年间，美国航空事故亡人的总数中有 40%左右是低空风切变所造成。低空风切变具有变 化时间短、尺度小、强度大、发生突然等特点，随 之带来探测难、预报难、航管难、飞行难等一系列 困难。
航空危险天气--航路积冰
积冰主要是由于过冷水滴 或降水中的过冷雨滴冻结 形成的。
事，就与这种天气有关。
航空危险天气—雷暴
雷暴:
由对流旺盛的 积雨云（即 CB云）引起
的，伴有闪电 雷鸣的局地 风暴，称为
雷暴。它是积 雨云强烈发 展的标志。
航空危险天气—雷暴
雷击:
当飞机在雷雨区域飞行时，由于机翼、机身等凸 出部位，电场很强，导致飞机遭受雷击。
航空危险天气—雷暴
雹击
飞行中遇到冰雹，由于相对速度很大，雷达罩、机翼、水平安定面等部件，
由于气象原因造成飞行事故中,多数出现在飞机着陆前后, 约占57%。
气象要素对飞行的影响
气温：
气温对载重量和滑跑距离影响很大。 气温升高（降低）在飞行中就会减小（增加）速度，
起飞和降落时要求的滑跑距离增长（缩短）。 长距离飞行的飞机要利用预报的温度来计算燃料和货
物的搭载重量，气温升高，载重量减小。 1985年6月7日美国鹰航空公司一架急流B-1型飞机着
雹击概率较高。
风对飞行的影响
起飞、着陆一般是顶风（逆风）以缩短滑跑距离；顺风 会增大起飞和着陆的滑跑距离；侧风则会使飞机偏离跑 道，空中飞行则会偏离航线。在航行飞行时，顺风可以 节省航时和燃料。
侧风对飞行的影响
目前国际航空和气象界公认的飞机起飞和着陆进近 阶段的一个危险因素。
1968-1986年间，美国航空事故亡人的总数中有 40%左右是低空风切变所造成。低空风切变具有变 化时间短、尺度小、强度大、发生突然等特点，随 之带来探测难、预报难、航管难、飞行难等一系列 困难。
航空危险天气--航路积冰
积冰主要是由于过冷水滴 或降水中的过冷雨滴冻结 形成的。
事，就与这种天气有关。
航空危险天气—雷暴
雷暴:
由对流旺盛的 积雨云（即 CB云）引起
的，伴有闪电 雷鸣的局地 风暴，称为
雷暴。它是积 雨云强烈发 展的标志。
航空危险天气—雷暴
雷击:
当飞机在雷雨区域飞行时，由于机翼、机身等凸 出部位，电场很强，导致飞机遭受雷击。
航空危险天气—雷暴
雹击
飞行中遇到冰雹，由于相对速度很大，雷达罩、机翼、水平安定面等部件，
由于气象原因造成飞行事故中,多数出现在飞机着陆前后, 约占57%。
气象要素对飞行的影响
气温：
气温对载重量和滑跑距离影响很大。 气温升高（降低）在飞行中就会减小（增加）速度，
起飞和降落时要求的滑跑距离增长（缩短）。 长距离飞行的飞机要利用预报的温度来计算燃料和货
物的搭载重量，气温升高，载重量减小。 1985年6月7日美国鹰航空公司一架急流B-1型飞机着
雹击概率较高。
晴空湍流对飞机的影响分析
th st th
Received: Dec. 9 , 2018; accepted: Dec. 21 , 2018; published: Dec. 28 , 2018
Abstract
It is very difficult for civil aviation aircraft to predict CAT (clear air turbulence), since the precipitation of CAT is lower than that of the convective turbulence. So CAT is a major hidden danger affecting aviation safety. In order to detect CAT as effectively as possible, firstly, the influence of CAT on the aircraft is analyzed in this paper, and a reactive CAT detection method is researched. This method is estimating the Eddy Dissipation Rate (EDR) based on the aircraft's vertical acceleration to quantify the CAT intensity. Then, the detection process is obtained. Secondly, The Radio Technical Commission for Aeronautics revised the specification of airborne weather radar detection turbulence, in which the vertical load factor is defined as the detection amount. The relationship between the EDR and the vertical load factor can be further analyzed in detail to conclude that the impact of the CAT on the aircraft can be quantified as the vertical load factor. Finally, the conclusion of the above theoretical analysis is verified to be correct, as the EDR is calculated using the real ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast) data which come from a flight that has encountered CAT. Furthermore, it is proved that the CAT detection method based on the vertical load factor is reasonable, and airborne weather radars can predict CAT more accurately and reasonably by using this method. The analysis of the impact of clear-air turbulence on the aircraft has practical significance for the accurate prediction and detection of clear-air turbulence.
Received: Dec. 9 , 2018; accepted: Dec. 21 , 2018; published: Dec. 28 , 2018
Abstract
It is very difficult for civil aviation aircraft to predict CAT (clear air turbulence), since the precipitation of CAT is lower than that of the convective turbulence. So CAT is a major hidden danger affecting aviation safety. In order to detect CAT as effectively as possible, firstly, the influence of CAT on the aircraft is analyzed in this paper, and a reactive CAT detection method is researched. This method is estimating the Eddy Dissipation Rate (EDR) based on the aircraft's vertical acceleration to quantify the CAT intensity. Then, the detection process is obtained. Secondly, The Radio Technical Commission for Aeronautics revised the specification of airborne weather radar detection turbulence, in which the vertical load factor is defined as the detection amount. The relationship between the EDR and the vertical load factor can be further analyzed in detail to conclude that the impact of the CAT on the aircraft can be quantified as the vertical load factor. Finally, the conclusion of the above theoretical analysis is verified to be correct, as the EDR is calculated using the real ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast) data which come from a flight that has encountered CAT. Furthermore, it is proved that the CAT detection method based on the vertical load factor is reasonable, and airborne weather radars can predict CAT more accurately and reasonably by using this method. The analysis of the impact of clear-air turbulence on the aircraft has practical significance for the accurate prediction and detection of clear-air turbulence.
航空运输地理 课件 影响航行的重要天气
飞机结冰
• • • • • 常见 威胁？ 发生的部位？ 飞机的突出部位 • • • • 速度：30m/s 形式：宽 窄 我国的大部分地区是中纬度西风带 自西向东的气流 青藏高原两侧有急流 影响？ 航班晚点
山地气流
• • • • • • 乱流：是空气的不准则的涡旋运动。 热力乱流：地面受热不均 动力乱流：地标性质 丘陵 山丘 天气？ 飞机颠簸？ 飞跃山地 迎风？背风？ 那个比较危险？
反气旋
• 定义：占有三度空间的，同一高度上中心 气压高于四周的大范围空气的水平涡旋。 • 高压 • 冷性反气旋 蒙古冷高压 • 暖性反气旋 太平洋副热带高压
槽线和切变线
• 槽线：在低压槽中， 等高线弯曲最大点的 连线。 • 切变线：具有气旋式切变的风场不连续线。 • 两侧的风向，风速有很大差异，但是温度 没有多大差异。
• 我亲眼看到头顶的板子在裂开 • 在温小姐的印象中，飞行过程中，飞机一直很平稳，事发 的时候，“我睡得正香，忽然飞起来，一阵离心力将我惊 醒，当我听到同伴惊叫声的时候，我的头顶已经撞在行李 箱底部，差点昏过去。”接受治疗期间，温小姐给福州老 家的父母打了个电话，“爸爸，我差点丢了性命！”这是 电话里温小姐说的第一句话。 • “当时大家都觉得死定了，惊叫声，此起彼伏，乘务员也 有人受伤，大家都乱了方寸。”温小姐说，“我当时只觉 得天旋地转，背部痛得不得了。”在慌乱中，她隐约看到 乘务员提着医疗箱在机舱内来回跑动的身影，“可能只是 简单的止血和叮嘱不要随意走动之类的，其他我实在记不 清楚了。”
什么是“晴空湍流”
• 飞机在穿云或遇到强大气流时，就如同汽车行驶在不平的 马路上一样，会出现颠簸。但是你也许不知道，在晴空万 里的蓝天中，有时也会像平静的海面下藏有暗流一样，偶 尔会出现强烈的扰动气流，被称为“晴空湍流”。 • 据了解，晴空颠簸是通常出现在6000米以上高空与对流云 无关的乱流。由于它不伴有可见的天气现象，飞行员难以 预先发现，对飞行威胁很大。通常来说，晴空湍流出现的 高度为6000~15000米，1万米高度附近最多。湍流区往往 有明显的边界，无过渡区。湍流区水平宽度约为10万米， 顺着风向的长度约20万米，厚度大约在200~1500米之间。
第六章扰动turbulence湍流
• 飞行员报告，颠簸前高空风向不变，风速为 10~20海里/小时，强烈颠簸发生后高空风向为 270~280度，风速猛增为70~80海里/小时。
晴空颠簸事例
• 1968年3月27日，前苏联英雄，人类第一位进入太空进行环 球飞行的勇士加加林上校，因进入前机高速运动所引起的尾 涡而失事。当时与前机相距500 m，加加林想摆脱尾涡，但 因飞机处于云内，无法判断方向，此时飞机出现旋转，达5-6 圈之多，仪器监视很困难，高度表信号滞后，造成高度差 200-300m，加加林以为一切正常，但钻出云层，离地仅250300m，俯仰角为70-90度，1秒多钟即触地，无法采取任何补 救措施。
▪ The presence of these clouds indicate very strong turbulence.
In a mountain wave, the air dips sharply downward
immediately to the lee (downwind) side of a ridge,
CAT, tends to be found in thin layers, typically less than 2,000 feet deep, a few tens of miles wide and more than 50 miles long.
特点：no visual warning / long streaks of cirrus clouds occurs in sudden bursts
如：低纬度、炎热季节、午后、弱风。
锋面湍流 Frontal turbulence
• 成因：锋面影响区有上升气流
• 分布： 冷锋、暖锋、锢囚锋的锋区附近颠簸强（远离锋区的
晴空颠簸事例
• 1968年3月27日，前苏联英雄，人类第一位进入太空进行环 球飞行的勇士加加林上校，因进入前机高速运动所引起的尾 涡而失事。当时与前机相距500 m，加加林想摆脱尾涡，但 因飞机处于云内，无法判断方向，此时飞机出现旋转，达5-6 圈之多，仪器监视很困难，高度表信号滞后，造成高度差 200-300m，加加林以为一切正常，但钻出云层，离地仅250300m，俯仰角为70-90度，1秒多钟即触地，无法采取任何补 救措施。
▪ The presence of these clouds indicate very strong turbulence.
In a mountain wave, the air dips sharply downward
immediately to the lee (downwind) side of a ridge,
CAT, tends to be found in thin layers, typically less than 2,000 feet deep, a few tens of miles wide and more than 50 miles long.
特点：no visual warning / long streaks of cirrus clouds occurs in sudden bursts
如：低纬度、炎热季节、午后、弱风。
锋面湍流 Frontal turbulence
• 成因：锋面影响区有上升气流
• 分布： 冷锋、暖锋、锢囚锋的锋区附近颠簸强（远离锋区的
传递
产生晴空湍流的天气类型
( 一) 急流轴附近高空槽中的冷平流。 急流轴附近高空槽中的冷平流。 ( 二) 两支急流的汇合区附近 特别是当两支急 两支急流的汇合区附近,特别是当两支急 流彼此靠近到50 万米以内时, 流彼此靠近到 万米以内时 在汇合区产生 晴空湍流的频率很大。 晴空湍流的频率很大。 ( 三) 高空切断低压 在闭合低压与主要西风之 高空切断低压, 两股反向的反气旋性气流( 急流) 两股反向的反气旋性气流 急流 形成的切变 线附近。 线附近。
飞机的“隐形杀手”－晴空湍流 飞机的“隐形杀手”
导 师:王广建 报告人: 报告人:刘英环
基本框架
1 2 3 4
起因和形成 产生湍流的天气类型 综合算法 结论
1999年10月17日中午一架由昆明飞往香 年 月 日中午一架由昆明飞往香 港的南方航空公司的班机在香港上空突然 遇到一股强大气流， 至 秒内飞机急坠 遇到一股强大气流，在5至10秒内飞机急坠 2000英尺，导致 人撞向机舱顶部受伤。 英尺， 人撞向机舱顶部受伤。 英尺 导致45人撞向机舱顶部受伤 导致这场飞行事故的“罪魁祸首” 导致这场飞行事故的“罪魁祸首” 就是人 称飞机的“隐形杀手” 称飞机的“隐形杀手”－晴空湍流。
由于晴空湍流的水平范围一般为10 由于晴空湍流的水平范围一般为 万米 万米, 远远大于其厚度。因此, ～20 万米 远远大于其厚度。因此 用改 变航线的方法脱离湍流区, 变航线的方法脱离湍流区 比下降飞行高 度的方法更费时间。 度的方法更费时间。
结论
（1）有些地区已开始利用天气资料计算一些晴 ） 空湍流指数， 业务上作为预报之用。 空湍流指数， 业务上作为预报之用。由于预报覆 盖范围较广，而晴空湍流一般尺度不大，利用飞机 盖范围较广，而晴空湍流一般尺度不大， 报告来验证预报的准确程度有一定困难， 报告来验证预报的准确程度有一定困难，但能为驾 驶员提供了预警作用， 驶员提供了预警作用，也是百利而无害的有效方法 。 （2）在航空器上设置仪器度量风、温度，并将 ）在航空器上设置仪器度量风、温度， 气象数据及时输往气象部门， 气象数据及时输往气象部门，气象部门根据这些资 料做出预报， 料做出预报，这种方法补充了第二条资料上的不足
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飞行案例资料显示 提出问题
(1)定义 (2)空间分布 思考：空间为何如此分布？
(1) 天气系统配置 (2) 个例天气系统分析 解释空间分布形成原因
(1)K-H波不稳定理论 (2) Ri数、Ti数
(1)总结 (2)作业：课本作业+实践 作业
？
大气科学类专业青年教师教学交流与竞赛
晴空湍流
主要内容
§1 晴空湍流的定义 §2 晴空湍流在我国的空间分布 §3 形成晴空湍流的天气系统及可能机制 §4 晴空湍流的识别和表征 §5 本节小结
飞机遭遇晴空湍流产生晴空颠簸
晴空湍流？
• 与飞机尺度或振动周期相当的湍流易产生颠簸 • 遭遇晴空湍流，飞机速度、高度和升力急剧变化。
1.晴空湍流的定义
航空气象学
航
低空湍流
空
近雷暴湍流
气
雷暴湍流
象
雷暴内湍流
中
的
晴空湍流
湍
流
山地波湍流
1.晴空湍流的定义
➢定义 晴空湍流（Clear Air Turbulence，CAT）一般是指发生在大气6000m
兴趣作业：
搜集晴空颠簸案例发生时气象资料，合理做出预报
预习：
下一节（飞机积冰）
谢谢！
大气科学类专业青年教师教学交流与竞赛
晴空湍流
教学内容和目标
教材：《Aviation Weather》 FAA教材 对象： 大气科学类本科三年级学生
定义
天气 系统 配置
晴空湍流
识别 表征
产生 机制
主体 主导
教学内容与过程设计
Step1 回顾并引入问题 Step2 基本概念 Step3 天气系统配置 Step4 产生机制及表征 Step5 本节小结
4.晴空湍流的识别和表征
Ellrod and Knap (1992)提出TI指数：
Dst
u x
v y
Dsh
v x
u y
DEF
Dst 2
D 2 12 sh
DIV
u x
v y
TI指数：
Ti
(DEF
DIV
)v z
4.晴空湍流的识别和表征
基于形变场定义的TI指数： Ti
D EF
v z
4.晴空湍流的识别和表征
高度以上和强对流活动无关的湍流。它不包括与对流性不稳定边界及 深厚对流有关的湍流，但不排除非对流云（多指卷云）中存在的湍流。
➢ 尺度
水平尺度 垂直尺度
80-500km（沿着风的方向） 20-100km（垂直风的方向） 500-1000m（垂直厚度）
时间尺度 半小时至一天
2.晴空湍流在我国的空间分布
基于锋生理论定义的TI指数：Ti
D DIV
v z
5. 本节小结
(1) 了解晴空湍流的定义及对飞行的影响
(2) 理解晴空湍流发生的可能机制
---K-H波不稳定 ---Ri数、EI指数
(3) 掌握形成晴空湍流的天气系统
---高空急流 ---高空槽 ---高压脊
5. 本节小结
作业：
Page 210：第9题（产生晴空湍流的天气系统）
全年
夏季
冬季
垂直方向
• 全年：主要在东部地区 • 冬季：主要在东部地区
• 夏季：主要在华北地区 • 垂直：主要位于8500米至10000米
主要内容
§1 晴空湍流的定义 §2 晴空湍流在我国的空间分布 §3 形成晴空湍流的天气系统及可能机制 §4 晴空湍流的识别和表征 §5 本节小结
形成晴空湍流的天气系统
振幅增大，形成K-H波
分解成小尺度漩涡
形成湍流 湍流衰减
晴空湍流发生的可能机制
Kelvin–Helmholtz instability
晴空湍流发生的可能机制
没有扰动的层流 驻波涡流 波状流
回转型气流
4.晴空湍流的识别和表征
Ri数：
Ri
(g
) /(V )2
z
z
风切变越强，Ri数越小，湍流越强。
高空急流 高空槽 高压脊
晴空湍流的三Biblioteka 结构急流与空中锋区急流与对流层顶
晴空湍流的个例分析
晴空湍流发生的可能机制
Kelvin–Helmholtz instability
晴空湍流发生的可能机制
Kelvin–Helmholtz instability
两层流体产生速度切变
波动出现 k12 U 1 U 2 2 g 12 22