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


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


…(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


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)


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?)


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!


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


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


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!


(…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


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)


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, … )



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. 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


Prognosverktygför artilleribullerutvecklat av Ulf Tengzelius ochIlkka KarasaloKTH-MWL.

Slut – tack!


Documents

Förbättrade modeller för flygbuller som även inkluderar