Navorsingsvoortgang oor die aerodinamiese prestasie van 'n vliegtuigmotorbrandkamer gebaseer op groot eddysimulasie

Navorsingsvoortgang oor die aerodinamiese prestasie van 'n vliegtuigmotorbrandkamer gebaseer op groot eddysimulasie

Die brandkamer is een van die kernkomponente van 'n vliegtuigmotor, en die aerodinamiese prestasie van die brandkamer speel 'n lewenswichtige rol in die prestasie van die hele motor. Om die toenemend strengere tegniese vereistes van die motor vir die brandkamer te voldoen, het die brandorganisasie-modus en stroomkarakteristieke binne die brandkamer geweldig kompleks geword. Die vertraagings- en drukverhogingsproses van die diffuser kan onder 'n sterk ongunstige drukgradiënt stroombegrensing ervaar; die lugvloed gaan deur 'n veerlagte swir-toestel om groot-skaal wervelstrukture te vorm, wat aan die een kant die verdampte en verdamping van vloeibare brandstof bevorder en 'n sterk pulserende, onstabiele mengsel met die brandstof vorm, en aan die ander kant 'n roerlose vlam in die aerodinamiese herkringingsone skep; die meervoudige strale van die hoofbrand-/menggat interakteer met die sywaartse vloed in die vlamrondoos om 'n teenoor-oprollende wervelpaar te vorm, wat 'n belangrike invloed op turbulent menging het. Op grond van die vloei word multi-skaal fisische en chemiese prosesse soos verdampe en verdamping, menging, chemiese reaksie, en interaksie tussen turbulentie en vlam sterk gekoppel, wat saam die aerodinamiese eienskappe van die brandkamer bepaal. Die hoë-noggrapemodelering en berekening van hierdie fisiese en chemiese prosesse is altyd 'n warm onderwerp van navorsing binne en buite die land.

Die prosesse van atomisering, verdamping, menging en verbranding in die verbrandingskamer ontwikkel en evolueer in 'n turbulentestromingsomgewing, dus is stroom die grondslag vir die simulasie van die aerodinamiese prestasie van die verbrandingskamer. Die basiese kenmerk van turbulentie is dat die stroomparameters willekeurige pulsaties vertoon as gevolg van die nie-lineêre konveksieproses. Turbulentie bevat baie wervelstrukture. Die spanne van verskillende wervels in lengte- en tydskaal is groot, en soos die Reynolds-getal toeneem, neem die spanne tussen skale skerp toe. Volgens die proporsie van turbulente wervelstrukture wat direk opgelos word, simulasie van turbulentie  metodes word verdeel in direkte numeriese simulasie (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), groot wervelsimulasie (LES) en gemengde turbulentiesimulasie metodes. Die RANS-metode, wat wydverspreid in die ingenieurswese gebruik word, los die turbulentiegemiddelde veld op en gebruik 'n model om al die turbulentiepulsasie-inligting te simuleer. Die berekeningstegsgrootte is klein, maar die akkuraatheid is swak. Vir sterk swirlerende en onstabiele stroomprosesse in die verbrandingskamer kan RANS nie die vereistes van fyn ontwerp aanvaar nie. Pitsch het gewys dat die rekenkundige kompleksiteit van LES tussen RANS en DNS lê, en dit tans gebruik word vir turbulentie-verbrandingsberekeninge in onbeperkte ruimtes met medium en lae Reynolds-getalle. As gevolg van die klein skaal van turbulentie in die nabywandgebied van die verbrandingskamer en die hoë Reynolds-getal van die vloei, is die aantal roosters wat nodig is vir 'n LES-berekening van slegs een kop van die verbrandingskamer sowat honderde miljoene tot miljard. So 'n hoë rekenkundige hulpbronnegensia beperk die wydverspreide gebruik van LES in verbrandingskamersimulasies.

Die vestiging van hoë-nogtegenwoordigheid berekeningmodelle en -metodes gebaseer op die Very Large Eddy Simulation (VLES) en Hybrid RANS-LES Metode raamwerke is 'n belangrike tendens in numeriese simulasie. Die VLES-metode, ontwikkel deur Han en sy span, los die probleem van lae rekenkundige doeltreffendheid op as gevolg van filter-rooster skaal en turbulensie skaal ooreenstemmingsbeperkings in tradisionele LES, en maak koppelmodellering moontlik tussen turbulensie multi-skaalkarakteristieke, transiënte evolusiekarakteristieke en roosterresolusie. VLES pas die verhouding tussen turbulensieoplossing en modelontwerp aan op grond van die werklike tydseien van die wervelstruktuurevolusie, wat berekeningskoste aansienlik verminder terwyl berekeningsakkuraatheid verseker word.

Toegespits, in vergelyking met tradisionele LES, is die teorie en kenmerke van VLES nog nie wydverspreid bestudeer en gebruik nie. Hierdie artikel gee 'n sistematiese oorsig van die modelteorie van VLES en die toepassingsimpak in verskillende fisiese scenarios wat verband hou met brandkamers, om die groot skaal toepassing van VLES in die veld van vliegtuigmaakbrandkamersimulasie te bevorder.

Groot Wolk Simulasie Metode

Die invloed van turbulentiesimulasie metodes op rekenaarhulpbronnegensering en modelle word in Figuur 1 getoon. RANS, LES en VLES-metodes bereik almal vloeisimulasie deur middel van turbulentiemodeling. Dit moet opgemerk word dat die vroegste duidelike definisie van VLES deur Pope gegee is, wat verwys na "die berekeningsrooster skaal is te grof sodat die turulente kinetiese energie wat direk opgelos word minder as 80% van die totale turulente kinetiese energie is". Tegelyktyd beteken LES soos deur Pope [6] gegee "die berekeningsrooster is baie fyn sodat die turulente kinetiese energie wat direk opgelos word meer as 80% van die totale turulente kinetiese energie is". Toogte moet opgemerk word dat die VLES wat in hierdie artikel ingevoer word 'n nuwe berekeningsmetode is wat herontwerp en ontwikkel is op grond van die vorige metode. Hoewel die name dieselfde is, verskil die nuwe VLES-metode wezenlik van die VLES-metode wat deur Pope gedefinieer is. Soos uit die figuur blyk, volg die tradisionele turbulentiemodusse in volgorde van berekeningsakkuraatheid: RANS, URANS, hibriede RANS/LES, LES en DNS. Onder die nuwe modelraamwerk word die turbulentiemodusse in volgorde van berekeningsakkuraatheid verdeel in RANS, VLES en DNS. Dit wil sê die VLES-metode realiseer die unifikasie van meerdere tradisionele turbulentiemodusse, en verskillende modelle oorgaan en skakel glad oor na lokaliteitskenmerke tydens werklike berekeninge.

Simulasie van tipiese fisiese prosesse in die kombusteringskamer

Baie Groot Eddy Simulasie van Sterk Swirl-vloei

Die kombusteringskamer van 'n vliegtuigmotor gebruik gewoonlik vloeiorganisasievorms soos meerstewys swirl en sterk swirl. Swirl-vloei is die meest basiese vloei vorm in die kombusteringskamer. Aangesien swirl dominant is in beide die vloei- en tangensiale rigting, het die turbulentie van swirl sterker anisotropie as tradisionele buisvloei, kanaalvloei en straalgroei. Dus stel die numeriese simulasie van swirl 'n groot uitdaging vir die turbulentiesimulasie-metode. Xia et al. het die VLES-metode gebruik om die klassieke sterk swirl-vloeivoorbeeld in die buis te bereken; Dellenback et al. [14] het vloeiexperimente op hierdie voorbeeld gedoen en gedetailleerde eksperimentele data beskikbaar gestel. Die vloei Reynolds-getal van die berekende voorbeeld is 1.0 × 105 (gebaseer op die deursnee van die rond buis) en die swirlnommer is 1.23. Twee stelle gestruktureerde roosters word in die berekening gebruik. Die totale aantal spaarlike roosters (M1) is ongeveer 900,000 en die totale aantal versleutelde roosters (M2) is ongeveer 5.1 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 berekeningresultate van verskillende metodes en die eksperimentele resultate van die radiale verspreiding van die omtreksgemiddelde spoed en pulserende spoed by verskillende afstroomposisies onder sterk swirrelende vloei word in Figuur 4 getoon. In die figuur is die horisontale en vertikale koördinate dimensielose afstand en dimensielose spoed, onderskeidelik, waar D1 die deursnee van die invoeronde buis is en Uin die invoergemiddelde spoed is. Soos uit die figuur kan gesien word, wys die vloeivelde 'n tipiese Rankin-lykende samegestelde wervel wat geleidelik oorgaan na 'n enkele vas liggaamswervel. Deur die berekenings- en eksperimentele resultate te vergelyk, kan gevind word dat die VLES-metode hoë berekeningsakkuraatheid het vir die voorspelling van die omtreksspoed van sterk swirrelende vloei, wat goed ooreenstem met die verspreiding van eksperimentele meting. Die tradisionele RANS-metode het 'n baie groot afwyking in die berekening van swirrelende vloei en kan nie korrek die ruimtelike evolusie van die swirrelende vloei velde en turbulentepulsasie voorspel nie. In vergelyking, het die VLES-metode baie hoë akkuraatheid in die voorspelling van die gemiddelde spoedvelde, pulserende spoedvelde en ruimtelike evolusie onder komplekse sterk swirrelende vloei, en kan dit steeds hoë berekeningsakkuraatheid verseker selfs by relatief spaarlike roosterresolusie. Vir die voorspelling van die omtreksgemiddelde spoed, stem die berekeningsresultate van die VLES-metode basies ooreen by twee versamelinge van spaarlike en dige roosterresolusies.

Groot Eddy Simulasie van Turbulente Verbranding

Om die haalbaarheid van die VLES-metode in die voorspelling van turbulenteverbrandingsprobleme te bestudeer [15-16], is 'n turbulenteverbrandingsmodel wat op die VLES-metode gebaseer is en gekoppel is aan die vlamlet-generasie manifolds (FGM) ontwikkel. Die basiese idee is om te veronderstel dat die turbulente vlam 'n een-dimensionele laminaire vlamstruktuur plaaslik het, en dat die oppervlak van die turbulente vlam die ensemble gemiddelde van 'n reeks laminaire vlamskake is. Dus kan die hoë-dimensionele komponentruimte afgebeeld word na 'n lae-dimensionele stroompatroon wat uit 'n paar kenmerkende veranderlikes (mengingsfraksie, reaksievoortgangsveranderlike, ens.) bestaan. Onder die voorwaarde dat die gedetailleerde reaksiemeganisme oorweeg word, word die aantal vervoere Vergelykings wat opgelos moet word aansienlik verminder, waarmee die berekeningskoste beduidend verminder word.

Die spesifieke implementasieproses is om die FGM-laminaire datatabel te konstrueer op grond van die mengingsfraksie en reaksievoortgangsveranderlikes, die interaksie tussen turbulent brandstof te oorweeg deur die waarskynlikheidsdigtheidsfunksiemetode te gebruik om die laminaire datatabel te integreer, en sodoende die turbulentiedatatabel te verkry. Tydens die numeriese berekening word die vervoere Vergelykings van die mengingsfraksie, reaksievoortgangsveranderlikes en die ooreenstemmende variantie opgelos, en word die brandveldinligting verkry deur na te soek in die turbulentiedatatabel.

Die turbulentekombusiemodel wat op VLES en FGM gebaseer is, is gebruik om numeriese berekeninge uit te voer oor die metaan/lug turbulent straalkwisel (Flame D) wat deur die Sandia-laboratorium in die Verenigde State gemeet is, en kwantitatiewe vergelykings is gedoen met die eksperimentele metingdata. Die brandstofmateriaal van die Sandia Flame D-voorbeeld (Reynolds-getal is 22400) is 'n volledige mengsel van metaan en lug met 'n volumeverhouding van 1:3, die brandstofinvoelspoed is ongeveer 49,9 m/s, en die agtergrondspoed is ongeveer 11,4 m/s. Die funksievlam is 'n mengsel van verbrande metaan en lug, en die agtergrondmateriaal is suiwer lug. Die berekening maak gebruik van '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 dimensielose afstand (D2 is die deursnee van die invoerstraalbuis) en dimensielose massafraksie, onderskeidelik. Uit die figuur kan gesien word dat die voorspelling van die hoofkomponente van die verbrandingsproses deur die VLES-metode oorheersend goed ooreenstem met die eksperimentele resultate. Die verspreide verspreiding van die temperatuur op verskillende afstroomposisies in die mengingsfraksieruimte word in Figuur 6 getoon. Uit die figuur kan gesien word dat die verspreide verspreidingstrend wat deur die VLES-metode voorspel is, basies konsekwent is met die eksperimentele resultate, en slegs die berekende temperatuurekstremum hoër is as die eksperimentele waarde. Die verspreiding van die momentane werveling, temperatuur en resolusiekontrolefunksie wat deur VLES bereken is, word in Figuur 7 getoon, waar die vasliggende lyn geneem word as Zst=0.351. Uit die figuur kan gesien word dat die kernstraalgebied sterk turbulente pulsaties vertoon, en terwyl die vloei veld afstroom ontwikkel, neem die skaal van die wervelstruktuur geleidelik toe. Uit Figuur 7 (b) en (c) kan gesien word dat in die meeste chemiese reaksieareas die resolusiekontrolefunksie tussen 0 en 1 lê, wat aandui dat die plaaslike roosterresolusie groot-skaalde turbulentie kan vang en slegs klein-skaalde turbulentie deur die model simuleer. Op hierdie tyd gedra VLES as 'n benaderde groot-wervelsimulasieoplossingmodus. In die straalafsnijlaag en die buitegrens van die afstroomvlamme is die resolusiekontrolefunksie naby 1, wat aandui dat die afgesnyde filterskaal van die rekenrooster groter is as die plaaslike turbulentieskaal. Op hierdie tyd gedra VLES as 'n onstabiele Reynolds-gemiddeldeoplossingmodus. Om kort te gaan, kan gesien word dat die VLES-metode die omskakeling van meerdere turbulentieoplossingsmodusse volgens die real-tyd eienskappe van die wervelstruktuurevolusie kan realiseer, en kan die onstabiele verbrandingsproses in turbulentevlamme akkuraat voorspel.

Groot eddysimulasie van die volledige atomisasieproses

Die meeste brandstof wat in die kombusteringskamer van 'n vliegtuigmotor gebruik word, is vloeistofbrandstof. Vloeistofbrandstof kom in die kombusteringskamer en ondergaan primêre atomisasie en sekondêre atomisasieprosesse. Daar is baie moeilikhede om die volledige atomisasieproses van vloeistofbrandstof te simuleer, insluitend die opname van die gas-vloeistof tweefasetoepassingsvlakkonfigurasie, vloeistofkolomvervorming en -breek, die breekontwikkeling van vloeistofbande en -draadjes in druppels, en die wisselwerking tussen turbulentestroom en druppels. Huang Ziwei [19] het 'n volledige atomisasiesimulasie-model ontwikkel gebaseer op die VLES-metode gekoppel met die VOFDPM-hibridatomisasieberamingmetode, wat die volledige numeriese simulasie van brandstofatomisasie vanaf kontinue vloeistof na diskrete druppels realiseer.

'n Nieu ontwikkelde atomisasieprosesimulasie-model is gebruik om hoë-naukeurige numeriese berekeninge van die klassieke kruisvloei vloeistofkolom-atomisasieproses uit te voer, en 'n gedetailleerde vergelyking is gemaak met die eksperimentele resultate in die open literatuur [20] en die groot swaai simulasieberekeningresultate [21]. In die berekeningvoorbeeld is die gasfase lug met snelhede van 77,89 en 110,0 m/s onderskeidelik, en die vloeistof fase is vloeibare water met 'n snelheid van 8,6 m/s. Die ooreenstemmende Weber-getalle is 100 en 200 onderskeidelik. Om die sekondêre breekproses beter te simuleer, gebruik die breekmodel die Kelvin-Helmholtz en Rayleigh-Taylor (KHRT) model.

Die volledige atomisasieproses wat deur VLES voorspel is onder die Weber getal 100 toestande, word in Figuur 8 getoon. Uit die figuur kan gesien word dat 'n dun vloeistoflaag in die begingebied gevorm word, en daarna breeks die vloeistofkolom oor in vloeiband en vloei filamente, en breeks in druppels onder die invloed van aerodinamiese krag, en word die druppels verder gebreek in kleinere druppels deur sekondêre breuk. Die stroom snelheid en spanwyse vortisiteitsverdeling bereken deur VLES onder die Weber getal 100 toestande, word in Figuur 9 getoon. Uit die figuur kan gesien word dat daar 'n tipiese lae-snelheid heromloopsonde aan die afwinde kant van die vloeistofkolom is. Dit kan uit die tansionele vortisiteitsverdeling gevind word dat die afwinde kant van die vloeistofkolom 'n sterk wervelstruktuur vertoon, en die sterk turbulent beweging in die lae-snelheid heromloopsonde bydra tot die ruptuur van die vloeistofkolomvlies en die vorming van druppels.

Die verhouding van die aanvanklike straal diameter tot die minimum vloei dimensie van die vloeistofstraal wanneer die vloeistofkolom begin uiteenval onder verskillende Weber getalle word in Figuur 10 gewys. In die figuur is di die minimum vloei dimensie van die vloeistofstraal wanneer die vloeistofkolom begin uiteenval, en D3 is die aanvanklike vloeistofstraal diameter. Dit kan uit die figuur gesien word dat die VLES-berekeningsresultate goed ooreenstem met die eksperimentele resultate, wat beter is as die groot swaai simulasieberekeningsresultate in die literatuur [21].

Brandstabiliteitseerste Verwydering van Baie Groot Wolkies

Om die vereistes van lae uitstoot te voldoen, word die brandkamers van siviele lugvaartuige gewoonlik ontwerp met voor gemengde of gedeeltelik voor gemengde magere branding. Egter, magere voor gemengde branding het swak stabiliteit en is geneig om termoakoustiese gekoppelde ossillasiebrandmodusse te wek, wat lei tot brandonstabielheid. Brandonstabielheid is hoogs vernietigend en kan gepaard gaan met probleme soos terugflitsing en vasvormvervorming, wat 'n uitstaande probleem is wat deur brandkamerontwerp aangespreek word.

Die numeriese berekening van brandstofonstabielheid kan in twee kategorieë verdeel word: die ontkoppelingsmetode en die direkte koppelingsmetode. Die ontkoppelde brandstofonstabielheidsvoorspellingsmetode ontkoppel die onstabiele brandstof- en akusetiese oplossings. Onstabiele brandstofvereiste 'n groot aantal numeriese berekeningssteekproewe om 'n betroubare vlambeskrywingsfunksie te bou. As die groot swaarkragsimulasieberekeningsmetode gebruik word, is sy rekenaarhulpbronnegenskap te groot. Die direkte koppelingsberekeningsmetode baseer op die kompresseerbare oplossingsmetode en verkry direk die resultaat van brandstofonstabielheid deur middel van hoë-nakkerige onstabiele berekening, dit wil sê, die koppelingsberekeningsproses van onstabiele brandstof en akusiek onder gegewe werksomstandighede word eenmalig binne dieselfde berekeningsraamwerk voltooi.

In die studie van numeriese simulasie van verbrandingsonstabielheidontkoppeling, het Huang et al. [27] 'n verbrandingsonstabielheidsberekeningmodel ontwikkel gebaseer op die VLES-metode gekoppel met die verdikte vlam-berekeningsmetode, en suksesvol akkurate voorspelling van die onstabiele verbrandingsproses onder akoriese stimulasie behaal. Die berekeningvoorbeeld is 'n afgeronde liggaam stasionêre eteen/luft volledig voorvermengde vlam ontwikkel deur Cambridge Universiteit, 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 vlammadynastiese eienskappe onder akoriese stimulasie word in Figuur 12 getoon. Dit kan uit die figuur gesien word dat tydens die invoerstimulasie-proses, die vlam omvouel by die binne- en buitesnylae en evolueer na 'n teenoorstrevende wervelpaar. Tydens hierdie proses, bly die evolusie van die paddenstoelvormige vlamprofiel ontwikkel met die verandering van die fasehoek. Die VLES-berekeningsresultate herproduseer goed die vlamevolusie-eienskappe waargeneem in die eksperiment. Die vergelyking van die amplitude en fasaverskil van die hittevrygifrespons onder 160 Hz akoriese stimulasie verkry deur verskillende berekeningsmetodes en eksperimentele metings word in Figuur 13 getoon. In die figuur, Q' en Q ͂ is die pulserende warmtevrysetting en gemiddelde warmtevrysetting van verbranding, onderskeidelik, A is die amplitude van sinusoïdale akusetiese opwekking, en die ordinaat van Figuur 13 (b) is die fasverskil tussen die transiente warmtevrystellingssignaal van verbranding onder akusetiese opwekking en die invoervelsig-opwekkingssignaal. Soos uit die figuur blyk, is die voorspellingsakuraatheid van die VLES-metode vergelykbaar met die akuraatheid van groot swaarkoësimulasie [28], en beide stem goed ooreen met die eksperimentele waardes. Hoewel die onstabiele RANS-metode die tendens van nie-liniêre reaksie voorspel, wys die berekende kwantitatiewe resultate groot afwykings van die eksperimentele waardes. Vir die fasverskilresultate (Figuur 13 (b)), stem die tendens van die fasverskil wat deur die VLES-metode vir die verstoringamplitude voorspel word, basies ooreen met die eksperimentele resultate, terwyl die groot swaarkoësimulasieresultate die boverlaaste tendens nie goed voorspel nie.