Navorsingsvordering oor aërodinamiese werkverrigting van vliegtuigenjin-verbrandingskamer gebaseer op groot werwel-simulasie

Navorsingsvordering oor aërodinamiese werkverrigting van vliegtuigenjin-verbrandingskamer gebaseer op groot werwel-simulasie

Die verbrandingskamer is een van die kernkomponente van 'n vliegtuigenjin, en die lugdinamiese werkverrigting van die verbrandingskamer speel 'n belangrike rol in die werkverrigting van die hele enjin. Om aan die toenemend strenger tegniese vereistes van die enjin vir die verbrandingskamer te voldoen, het die verbrandingsorganisasiemodus en vloeieienskappe binne die verbrandingskamer baie kompleks geword. Die vertragings- en drukproses van die diffuser kan vloeiskeiding in die gesig staar onder 'n sterk ongunstige drukgradiënt; die lugvloei gaan deur 'n meerfase-werveltoestel om 'n grootskaalse draaikolkstruktuur te vorm, wat enersyds die atomisering en verdamping van die vloeibare brandstof bevorder en 'n sterk pulserende, onstabiele mengsel met die brandstof vorm, en andersyds 'n stilstaande vlam in die aërodinamiese hersirkulasiesone opwek; die veelvuldige strale van die hoofontbrandings-/menggat wissel met die laterale vloei in die vlambuis om 'n teenroterende draaikolkpaar te vorm, wat 'n belangrike invloed op turbulente vermenging het. Op grond van vloei word multiskaal fisiese en chemiese prosesse soos atomisering en verdamping, vermenging, chemiese reaksie en interaksie tussen turbulensie en vlam sterk gekoppel, wat gesamentlik die aërodinamiese eienskappe van die verbrandingskamer bepaal. Die hoë-presisie modellering en berekening van hierdie fisiese en chemiese prosesse was nog altyd 'n warm onderwerp van navorsing by die huis en in die buiteland.

Die atomisasie-, verdampings-, meng- en verbrandingsprosesse in die verbrandingskamer ontwikkel en ontwikkel in 'n onstuimige vloei-omgewing, so vloei is die basis vir die simulasie van die aërodinamiese werkverrigting van die verbrandingskamer. Die basiese kenmerk van turbulensie is dat die vloeiparameters ewekansige pulsasie toon as gevolg van die nie-lineêre konveksieproses. Turbulensie bevat baie draaikolkstrukture. Die omvang van verskillende draaikolke in lengte- en tydskale is groot, en namate die Reynolds-getal toeneem, neem die spanwydtes tussen skale skerp toe. Volgens die proporsie van turbulente draaikolkstrukture wat direk opgelos word, turbulensie simulasie metodes word verdeel in direkte numeriese simulasie (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), groot eddy simulasie (LES) en gemengde turbulensie simulasie metodes. Die RANS-metode, wat wyd in ingenieurswese gebruik word, los die onstuimige gemiddelde veld op en gebruik 'n model om alle turbulente pulsasie-inligting te simuleer. Die berekening bedrag is klein, maar die akkuraatheid is swak. Vir sterk werveling en onstabiele vloeiprosesse in die verbrandingskamer kan RANS nie aan die vereistes van verfynde ontwerp voldoen nie. Pitsch het daarop gewys dat die berekeningskompleksiteit van LES tussen RANS en DNS is, en tans gebruik word vir onstuimige verbrandingsberekeninge in onbeperkte ruimtes met medium en lae Reynoldsgetalle. As gevolg van die klein skaal van turbulensie in die naby-wand-area van die verbrandingskamer en die hoë Reynolds-getal van die vloei, is die hoeveelheid roosters wat benodig word vir LES-berekening van 'n enkele kop van die verbrandingskamer alleen in die honderde miljoene tot biljoene. Sulke hoë berekeningshulpbronverbruik beperk die wydverspreide gebruik van LES in verbrandingskamersimulasies.

Die daarstelling van hoë-presisie berekeningsmodelle en metodes gebaseer op die Very Large Eddy Simulation (VLES) en Hybrid RANS-LES Metode raamwerke is 'n belangrike neiging in numeriese simulasie. Die VLES-metode ontwikkel deur Han et al. los die probleem op van lae berekeningsdoeltreffendheid wat veroorsaak word deur filterroosterskaal en die oplossing van turbulensieskaalpassingsbeperkings in tradisionele LES, en realiseer koppelingsmodellering tussen turbulensie-multiskaal-eienskappe, verbygaande evolusie-eienskappe en roosterresolusie. , VLES pas die verhouding tussen turbulensie-oplossing en modelmodellering aanpasbaar aan, gebaseer op die intydse kenmerke van die draaikolkstruktuur-evolusie, wat berekeningskoste aansienlik verminder terwyl berekeningsakkuraatheid verseker word.

Nietemin, in vergelyking met tradisionele LES, is die teorie en kenmerke van VLES nie wyd bestudeer en gebruik nie. Hierdie artikel stel stelselmatig die modelleringsteorie van VLES en die toepassingseffekte daarvan in verskeie fisiese scenario's wat met verbrandingskamers verband hou bekend, wat die grootskaalse toepassing van VLES in die veld van vliegtuigenjin-verbrandingskamersimulasie bevorder.

Groot Eddy Simulasie Metode

Die invloed van turbulensie-simulasiemetodes op die berekening van hulpbronverbruik en modelle word in Figuur 1 getoon. RANS-, LES- en VLES-metodes bereik almal vloeisimulasie deur turbulensiemodellering. Daar moet kennis geneem word dat die vroegste duidelike definisie van VLES deur Pope gegee is, wat verwys na "die berekeningsroosterskaal is te grof sodat die turbulente kinetiese energie wat direk opgelos is minder as 80% van die totale turbulente kinetiese energie is". Terselfdertyd is die betekenis van LES wat Pous [6] gegee het "die berekeningsrooster is baie fyn sodat die turbulente kinetiese energie wat direk opgelos is, groter as 80% van die totale turbulente kinetiese energie is". Nietemin moet daarop gelet word dat die VLES wat in hierdie artikel bekendgestel is, 'n nuwe berekeningsmetode is wat hermodelleer en ontwikkel is op grond van die vorige metode. Alhoewel die name dieselfde is, verskil die nuwe VLES-metode wesenlik van die VLES-metode wat deur Pous gedefinieer is. Soos uit die figuur gesien kan word, is die tradisionele turbulensiemodusse RANS, URANS, baster RANS/LES, LES en DNS in volgorde van berekeningsakkuraatheid. Onder die nuwe modelraamwerk word die turbulensiemodusse verdeel in RANS, VLES en DNS in volgorde van berekeningsakkuraatheid. Dit wil sê, die VLES-metode realiseer die vereniging van veelvuldige tradisionele turbulensiemodusse, en verskillende modelle verander aanpasbaar en skakel glad om volgens plaaslike kenmerke in werklike berekeninge.

Simulasie van tipiese fisiese prosesse in die verbrandingskamer

Baie groot werwelsimulasie van sterk wervelende vloei

Die verbrandingskamer van 'n vliegtuigenjin neem gewoonlik vloeiveldorganiseringsvorme aan soos multi-stadium werveling en sterk werveling. Wervelvloei is die mees basiese vloeivorm in die verbrandingskamer. Aangesien werveling dominant is in beide die vloeirigting en die tangensiële rigting, het die turbulente pulsasie van werveling sterker anisotropie as tradisionele pypvloei, kanaalvloei en straalvloei. Daarom stel die numeriese simulasie van werveling 'n groot uitdaging vir die turbulensie-simulasiemetode. Xia et al. die VLES-metode gebruik om die klassieke sterk wervelvloeivoorbeeld in die buis te bereken; Dellenback et al. [14] het vloeiveldeksperimente op hierdie voorbeeld uitgevoer en het gedetailleerde eksperimentele data. Die vloei Reynolds-getal van die berekende voorbeeld is 1.0×105 (gebaseer op die deursnee van die sirkelvormige buis) en die wervelgetal is 1.23. Twee stelle gestruktureerde roosters word in die berekening gebruik. Die totale aantal yl roosters (M1) is ongeveer 900,000 2 en die totale aantal geënkripteerde roosters (M5.1) is ongeveer XNUMX miljoen. Die statistiese momentresultate wat deur berekening verkry is, word verder vergelyk met die eksperimentele resultate om die berekeningsakkuraatheid van die VLES-metode te verifieer.

Die vergelyking van die berekeningsresultate van verskillende metodes en die eksperimentele resultate van die radiale verspreiding van die omtreksgemiddelde snelheid en pulserende snelheid by verskillende stroomaf posisies onder sterk warrelende vloei word in Figuur 4 getoon. In die figuur is die horisontale en vertikale koördinate onderskeidelik dimensielose afstand en dimensielose snelheid, waar D1 die deursnee van die pyp en die inlaat is die gemiddelde sirkelsnelheid in pyp. Soos uit die figuur gesien kan word, toon die vloeiveld 'n tipiese Rankin-agtige saamgestelde draaikolk wat geleidelik oorgaan na 'n enkele rigiede liggaamskolk. Deur die berekening en eksperimentele resultate te vergelyk, kan gevind word dat die VLES-metode 'n hoë berekeningsakkuraatheid het vir die voorspelling van die omtreksnelheid van sterk wervelvloei, wat in goeie ooreenstemming is met die verspreiding van eksperimentele metings. Die tradisionele RANS-metode het 'n baie groot afwyking in die berekening van wervelvloei en kan nie die ruimtelike evolusie van die wervelvloeiveld en turbulente pulsasie korrek voorspel nie. In vergelyking het die VLES-metode 'n baie hoë akkuraatheid in die voorspelling van die gemiddelde snelheidsveld, pulserende snelheidsveld en ruimtelike evolusie onder komplekse sterk wervelende vloei, en kan steeds 'n hoë berekeningsakkuraatheid waarborg selfs by 'n relatief yl roosterresolusie. Vir die voorspelling van die omtrek gemiddelde snelheid, is die berekeningsresultate van die VLES-metode basies konsekwent by twee stelle yl en digte roosterresolusies.

Groot Eddy Simulasie van turbulente verbranding

Ten einde die uitvoerbaarheid van die VLES-metode in die voorspelling van turbulente verbrandingsprobleme te bestudeer [15-16], is 'n turbulente verbrandingsmodel gebaseer op die VLES-metode tesame met die vlamgegenereerde manifolds (FGM) ontwikkel. Die basiese idee is om te aanvaar dat die turbulente vlam plaaslik 'n eendimensionele laminêre vlamstruktuur het, en die turbulente vlamoppervlak is die ensemblegemiddelde van 'n reeks laminêre vlamoppervlaktes. Daarom kan die hoë-dimensionele komponentruimte gekarteer word na 'n lae-dimensionele vloeipatroon wat saamgestel is uit verskeie kenmerkende veranderlikes (mengselfraksie, reaksievorderingsveranderlike, ens.). Onder die voorwaarde dat die gedetailleerde reaksiemeganisme oorweeg word, word die aantal vervoervergelykings wat opgelos moet word, aansienlik verminder, waardeur die berekeningskoste aansienlik verminder word.

Die spesifieke implementeringsproses is om die FGM laminêre datatabel te konstrueer gebaseer op die mengselfraksie en reaksievorderingsveranderlikes, die interaksie tussen turbulente verbranding te oorweeg deur die waarskynlikheidsdigtheidfunksiemetode te aanvaar om die laminêre datatabel te integreer, en sodoende die turbulente datatabel te verkry. In die numeriese berekening word die vervoervergelykings van die mengselfraksie, reaksievorderingsveranderlikes en die ooreenstemmende variansie opgelos, en die verbrandingsveldinligting word verkry deur navraag te doen na die turbulente datatabel.

Die turbulente verbrandingsmodel gebaseer op VLES en FGM is gebruik om numeriese berekeninge uit te voer op die metaan/lug turbulente straalvlam (Vlam D) gemeet deur die Sandia laboratorium in die Verenigde State, en kwantitatiewe vergelykings is met die eksperimentele metingsdata gemaak. Die brandstofmateriaal van die Sandia Flame D-voorbeeld (Reynolds-nommer is 22400) is 'n volledige mengsel van metaan en lug met 'n volumeverhouding van 1:3, die brandstofinlaatsnelheid is ongeveer 49.9 m/s, en die wakkersnelheid is ongeveer 11.4 m/s. Die vuurvlam is 'n mengsel van verbrande metaan en lug, en die wakker materiaal is suiwer lug. Die berekening gebruik 'n gestruktureerde rooster, en die totale aantal roosters is ongeveer 1.9 miljoen.

Die verspreiding van die gemiddelde massafraksie van verskillende komponente langs die as word in Figuur 5 getoon. Die horisontale en vertikale koördinate in die figuur is onderskeidelik dimensielose afstand (D2 is die deursnee van die inlaatstraalbuis) en dimensielose massafraksie. Uit die figuur kan gesien word dat die voorspelling van die hoofkomponente van die verbrandingsproses deur die VLES-metode oor die algemeen goed ooreenstem met die eksperimentele resultate. Die verstrooide verspreiding van die temperatuur by verskillende stroomaf posisies in die mengselfraksieruimte word getoon in Figuur 6. Uit die figuur kan gesien word dat die verstrooide verspreidingstendens wat deur die VLES metode voorspel word basies ooreenstem met die eksperimentele resultate, en slegs die berekende temperatuur uiterste waarde is effens hoër as die eksperimentele waarde. Die verspreiding van die oombliklike draaikolk-, temperatuur- en resolusiebeheerfunksie wat deur VLES bereken word, word in Figuur 7 getoon, waar die soliede lyn geneem word as Zst=0.351. Dit kan uit die figuur gesien word dat die kernstraalarea sterk turbulente pulsasie vertoon, en soos die vloeiveld stroomaf ontwikkel, neem die skaal van die draaikolkstruktuur geleidelik toe. Soos gesien kan word uit Figuur 7 (b) en (c), is die resolusiebeheerfunksie in die meeste chemiese reaksiegebiede tussen 0 en 1, wat aandui dat die plaaslike roosterresolusie grootskaalse turbulensie kan vasvang en slegs kleinskaalse turbulensie deur die model kan simuleer. Op hierdie tydstip gedra VLES as 'n benaderde groot werwel-simulasie-oplossingmodus. In die straalskuiflaag en die buitenste rand van die stroomafvlam is die resolusiebeheerfunksie naby aan 1, wat aandui dat die afgekapte filterskaal van die berekeningsrooster groter is as die plaaslike turbulensieskaal. Op hierdie tydstip tree VLES op as 'n onstabiele Reynolds gemiddelde oplossingsmodus. Samevattend kan gesien word dat die VLES-metode die transformasie van veelvuldige turbulensie-oplossingsmodusse volgens die intydse kenmerke van die draaikolkstruktuur-evolusie kan realiseer, en die onstabiele verbrandingsproses in turbulente vlamme akkuraat kan voorspel.

Groot werwelsimulasie van die volledige atomiseringsproses

Die meeste van die brandstof wat in die verbrandingskamer van 'n vliegtuigenjin gebruik word, is vloeibare brandstof. Vloeibare brandstof gaan die verbrandingskamer binne en ondergaan primêre atomisering en sekondêre atomiseringsprosesse. Daar is baie probleme om die volledige atomiseringsproses van vloeibare brandstof te simuleer, insluitend die vasvang van die gas-vloeistof tweefase topologiese koppelvlakkonfigurasie, vloeistofkolom vervorming en breuk, die opbreek evolusie van vloeistofbande en vloeibare filamente in druppels, en die interaksie tussen turbulente vloei en druppels. Huang Ziwei [19] het 'n volledige atomiseringsprosessimulasiemodel ontwikkel wat gebaseer is op die VLES-metode tesame met die VOFDPM hibriede atomiseringsberekeningsmetode, wat die volle-proses numeriese simulasie van brandstofatomisering van aaneenlopende vloeistof na diskrete druppels realiseer.

'n Nuut ontwikkelde atomiseringsprosessimulasiemodel is gebruik om hoë-presisie numeriese berekeninge van die klassieke laterale vloei vloeistofkolom atomiseringsproses uit te voer, en 'n gedetailleerde vergelyking is getref met die eksperimentele resultate in die oop literatuur [20] en die resultate van die groot eddy simulasie berekeninge [21]. In die berekeningsvoorbeeld is die gasfase lug met snelhede van onderskeidelik 77.89 en 110.0 m/s, en die vloeistoffase is vloeibare water met 'n snelheid van 8.6 m/s. Die ooreenstemmende Weber-getalle is onderskeidelik 100 en 200. Ten einde die sekondêre opbreekproses beter te simuleer, neem die opbreekmodel die Kelvin-Helmholtz en Rayleigh-Taylor (KHRT) model aan.

Die volledige atomiseringsproses wat deur VLES voorspel is onder die Weber nommer 100 toestand word in Figuur 8 getoon. Soos uit die figuur gesien kan word, word 'n dun vel vloeistofkolom in die aanvanklike area gevorm, en dan breek die vloeistofkolom in vloeistofbande en vloeistoffilamente, en breek in druppels onder die werking van aerodinamiese krag, en die sekondêre druppels word verder opgebreek in kleiner druppels. Die stroomsnelheid en spansgewyse draaikolkverspreiding bereken deur VLES onder die Weber nommer 100 toestand word in Figuur 9 getoon. Soos uit die figuur gesien kan word, is daar 'n tipiese laespoed hersirkulasie sone aan die lee kant van die vloeistofkolom. Dit kan gevind word uit die oombliklike draaikolkverspreiding dat die leekant van die vloeistofkolom 'n sterk draaikolkstruktuur vertoon, en die sterk turbulente beweging in die laespoed-hersirkulasiesone dra by tot die breuk van die vloeistofkolomvel en die vorming van druppels.

Die verhouding van die aanvanklike straaldiameter tot die minimum vloeidimensie van die vloeistofstraal wanneer die vloeistofkolom onder verskillende Weber-getalle begin opbreek, word in Figuur 10. In die figuur is di die minimum vloeidimensie van die vloeistofstraal wanneer die vloeistofkolom begin opbreek, en D3 is die aanvanklike vloeistofstraaldeursnee. Uit die figuur kan gesien word dat die VLES-berekeningsresultate in goeie ooreenstemming is met die eksperimentele resultate, wat beter is as die groot eddy-simulasie-berekeningsresultate in die literatuur [21].

Verbrandingsonstabiliteit Baie Groot Eddy Simulasie

Om aan die vereistes van lae emissies te voldoen, word burgervliegtuie se verbrandingskamers gewoonlik ontwerp met voorafgemengde of gedeeltelik voorafgemengde maer verbranding. Maer voorafgemengde verbranding het egter swak stabiliteit en is geneig om termo-akoestiese gekoppelde ossillasie-ontbrandingsmodusse op te wek, wat tot verbrandingsonstabiliteit lei. Ontbrandingsonstabiliteit is hoogs vernietigend en kan gepaard gaan met probleme soos terugflits en soliede vervorming, wat 'n prominente probleem is wat die ontwerp van verbrandingskamers in die gesig staar.

Die numeriese berekening van verbrandingsonstabiliteit kan in twee kategorieë verdeel word: ontkoppelingsmetode en direkte koppelingsmetode. Die ontkoppelde verbranding onstabiliteit voorspelling metode ontkoppel die onstabiele verbranding en akoestiese oplossings. Onstabiele verbranding vereis 'n groot aantal numeriese berekeningsmonsters om 'n betroubare vlambeskrywingsfunksie te bou. As die berekeningsmetode vir die simulasie van groot werwels gebruik word, is die verbruik van rekenaarhulpbronne te groot. Die direkte koppeling berekening metode is gebaseer op die saamdrukbare oplossing metode, en verkry direk die resultaat van verbranding onstabiliteit deur hoë-presisie onstabiele berekening, dit wil sê, die koppeling berekening proses van onstabiele verbranding en akoestiek onder gegewe werksomstandighede word op een slag voltooi binne dieselfde berekening raamwerk.

In die studie van numeriese simulasie van ontkoppeling van verbrandingsonstabiliteit, het Huang et al. [27] het 'n verbrandingsonstabiliteit-berekeningsmodel ontwikkel gebaseer op die VLES-metode tesame met die verdikkingsvlamberekeningsmetode, en het akkurate voorspelling van die onstabiele verbrandingsproses onder akoestiese opwekking verkry. Die berekeningsvoorbeeld is 'n stomp liggaam stilstaande etileen/lug volledig voorafgemengde vlam wat deur Cambridge Universiteit ontwikkel is, met 'n ekwivalensieverhouding van 0.55 en 'n Reynolds-getal van ongeveer 17000. Die vergelyking tussen die VLES-berekeningsresultate en die eksperimentele resultate van die onstabiele vlamdinamiese eienskappe onder die akoestiese opwekking gesien kan word12. inlaatopwekkingsproses, rol die vlam om by die binneste en buitenste skuiflae en ontwikkel in 'n teenroterende draaikolkpaar. In hierdie proses gaan die evolusie van die sampioenvormige vlamprofiel voort om te ontwikkel met die verandering van die fasehoek. Die VLES-berekeningsresultate reproduseer goed die vlam-evolusie-eienskappe wat in die eksperiment waargeneem is. Die vergelyking van die amplitude en faseverskil van die hittevrystellingtemporespons onder 160 Hz akoestiese opwekking verkry deur verskillende berekeningsmetodes en eksperimentele metings word in Figuur 13 getoon. In die figuur, Q' en Q͂ is onderskeidelik die pulserende hittevrystelling en gemiddelde hittevrystelling van verbranding, A is die amplitude van sinusvormige akoestiese opwekking, en die ordinaat van Figuur 13 (b) is die faseverskil tussen die verbygaande hittevrystellingsein van verbranding onder akoestiese opwekking en die inlaatsnelheidopwekkingsein. Soos uit die figuur gesien kan word, is die voorspelling akkuraatheid van die VLES metode vergelykbaar met die akkuraatheid van groot eddy simulasie [28], en beide stem goed ooreen met die eksperimentele waardes. Alhoewel die onstabiele RANS-metode die neiging van nie-lineêre respons voorspel, wyk die berekende kwantitatiewe resultate baie af van die eksperimentele waardes. Vir die faseverskilresultate (Figuur 13 (b)), is die neiging van die faseverskil wat deur die VLES-metode voorspel is met die versteuringsamplitude basies in ooreenstemming met die eksperimentele resultate, terwyl die groot werwel-simulasieresultate nie die bogenoemde tendens goed voorspel nie.