التقدم البحثي حول الأداء الهوائي لغرفة احتراق محركات الطائرات بناءً على محاكاة الاضطرابات الكبيرة

التقدم البحثي حول الأداء الهوائي لغرفة احتراق محركات الطائرات بناءً على محاكاة الاضطرابات الكبيرة

الغرفة المشتعلة هي واحدة من المكونات الأساسية لمحرك الطائرة، وتأتي الأداء الهوائي للغرفة المشتعلة بدور حيوي في أداء المحرك بأكمله. من أجل تلبية المتطلبات التقنية الصارمة بشكل متزايد للمحرك بالنسبة للغرفة المشتعلة، أصبحت طريقة تنظيم الاحتراق والخصائص الدفقية داخل الغرفة المشتعلة معقدة للغاية. قد يواجه عملية التباطؤ والضغط في الموزع انفصال التدفق تحت تدرج ضغط عكسي قوي؛ يمر الهواء عبر جهاز إعصار متعدد المستويات ليشكل بنية إعصار كبيرة الحجم، مما يساعد من جهة على تفتيت الوقود السائل وتقطيره وتكوين خليط غير مستقر وم pulsed مع الوقود، ومن جهة أخرى يولد لهبًا ثابتًا في منطقة إعادة الدوران الهوائي؛ التداخل بين النفاثات المتعددة لثقب الاحتراق/المزج الرئيسي مع التدفق الجانبي في أنبوب اللهب يشكل زوجاً من ال votexات الدورانية المعاكسة، والذي يؤثر بشكل كبير على الخلط العشوائي. بناءً على هذا التدفق، يتم ربط العمليات الفيزيائية والكيميائية متعددة المقاييس مثل التفتيت والتقطير، والخلط، والاستجابة الكيميائية، والتفاعل بين التوربينات واللهب بشكل قوي، مما يحدد معًا الخصائص الهوائية للغرفة المشتعلة. كانت نماذج عالية الدقة وحسابات هذه العمليات الفيزيائية والكيميائية دائمًا موضوعًا ساخنًا للبحث محليًا ودوليًا.

تتطور عمليات التبخير، والخلط، والإحتراق داخل غرفة الإحتراق في بيئة تدفق مضطربة، لذلك فإن التدفق هو الأساس لمحاكاة الأداء الهوائي الديناميكي لغرفة الاحتراق. السمة الأساسية للاضطراب هي أن معلمات التدفق تظهر فيها نبضات عشوائية نتيجة عملية الحمل غير الخطية. يحتوي الاضطراب على العديد من الهياكل الدوامة. تختلف فواصل الأطوال والأوقات بين الدوامات المختلفة بشكل كبير، وعندما يزداد عدد رينولدز، تزداد الفجوات بين المقاييس بشكل حاد. بناءً على نسبة الهياكل الدوامة الاضطرابية التي يتم حلها مباشرة، يتم محاكاة الاضطراب  تُقسَّم الطرق إلى محاكاة عددية مباشرة (DNS)، ومحاكاة نافير-ستوكس المتوسطة حسب رينولدز (RANS)، ومحاكاة الدوامات الكبيرة (LES) والطرق المختلطة لمحاكاة التوربينات. تحل طريقة RANS، التي تُستخدم على نطاق واسع في الهندسة، الحقل المتوسط للتيارات المتurbulent وتستخدم نموذجًا لمحاكاة جميع معلومات النبضات المتurbulent. كمية الحساب صغيرة، لكن الدقة ضعيفة. بالنسبة للتدوير القوي والتدفقات غير المستقرة في غرفة الاحتراق، لا يمكن لـ RANS أن تلبي متطلبات التصميم الدقيق. أشار بيتسش إلى أن تعقيد الحسابات في LES يقع بين RANS و DNS، ويُستخدم حاليًا لحساب الاحتراق المتurbulent في الفضاءات غير المقيدة ذات أرقام رينولدز المتوسطة والمنخفضة. بسبب صغر حجم التوربينات في منطقة الجدران القريبة من غرفة الاحتراق وأرقام رينولدز المرتفعة للتدفق، فإن عدد الشبكات المطلوبة لحساب LES لرأس واحد فقط من غرفة الاحتراق يصل إلى مئات الملايين أو مليارات العناصر. هذا الاستهلاك العالي للموارد الحاسوبية يحد من الاستخدام الواسع لـ LES في محاكاة غرف الاحتراق.

إنشاء نماذج وطرق حسابية بدقة عالية بناءً على إطار عمل المحاكاة العددية الكبيرة جدًا (VLES) وأسلوب RANS-LES الهجين هو اتجاه مهم في مجال المحاكاة العددية. طور فريق هان طريقة VLES التي تعالج مشكلة انخفاض كفاءة الحساب الناتجة عن تطابق مقياس الشبكة المرشحة ومقياس التوربينات المُحسوبة في LES التقليدية، مما يتيح تحقيق نمذجة مترابطة بين خصائص متعددة المقاييس للتوربينات، وخصائص التطور الزمني والدقة المكانية للشبكة. كما يقوم VLES بتعديل نسبة التفاعل الديناميكي بين حل التوربينات والنماذج بناءً على الخصائص الزمنية لتطور الهياكل الدوامة، مما يؤدي إلى تقليل كبير في تكاليف الحساب مع ضمان دقة الحساب.

ومع ذلك، مقارنةً بالمحاكاة العددية التقليدية LES، فإن النظرية والخصائص الخاصة بـ VLES لم تُدرس ولم تُستخدم على نطاق واسع. يقدم هذا البحث مقدمة منهجية حول نظرية محاكاة VLES وتأثيراتها التطبيقية في مختلف السيناريوهات الفيزيائية المتعلقة بمراجل الاحتراق، مما يعزز استخدام VLES على نطاق واسع في مجال محاكاة مراجل الاحتراق لمحركات الطائرات.

طريقة محاكاة التوربينات الكبيرة

يُظهر التأثير الذي تتركه طرق محاكاة الاضطراب على استهلاك موارد الحوسبة والأنماط في الشكل 1. جميع طرق RANS وLES وVLES تحقق محاكاة الجريان من خلال نمذجة الاضطراب. يجب ملاحظة أن التعريف الواضح الأول لـ VLES أعطاه بوب، والذي يشير إلى "أن حجم شبكة الحسابات خشن جدًا بحيث تكون الطاقة الحركية للضوضاء التي يتم حلها مباشرة أقل من 80٪ من إجمالي الطاقة الحركية للضوضاء". وفي الوقت نفسه، فإن معنى LES الذي قدمه بوب [6] هو "أن شبكة الحسابات دقيقة جدًا بحيث تكون الطاقة الحركية للضوضاء التي يتم حلها مباشرة أكبر من 80٪ من إجمالي الطاقة الحركية للضوضاء". ومع ذلك، يجب ملاحظة أن VLES المقدمة في هذه المقالة هي طريقة حسابية جديدة تم إعادة تصميمها وتطويرها بناءً على الطريقة السابقة. رغم أن الأسماء متشابهة، إلا أن طريقة VLES الجديدة تختلف جوهريًا عن طريقة VLES كما عرفها بوب. كما يمكن رؤية ذلك من الشكل، الأنماط التقليدية للاضطراب هي RANS وURANS والهجينة RANS/LES وLES وDNS بالترتيب حسب دقة الحساب. تحت إطار النموذج الجديد، يتم تقسيم أنماط الاضطراب إلى RANS وVLES وDNS بالترتيب حسب دقة الحساب. أي أن طريقة VLES تحقق توحيدها لعدة أنماط تقليدية للاضطراب، وتتحول وتتكيف النماذج المختلفة بشكل سلس وفقًا للخصائص المحلية أثناء الحسابات الفعلية.

محاكاة العمليات الفيزيائية النموذجية داخل غرفة الاحتراق

محاكاة الأدوية الكبيرة جدًا لتدفق الدوامة القوية

غالبًا ما تتبني غرفة احتراق محرك الطائرة أشكال تنظيم الحقل المائي مثل التدوير المتعدد المراحل والتدوير القوي. يعتبر تدفق الدوامة الشكل الأساسي للتدفق في غرفة الاحتراق. نظرًا لأن الدوامة هي المهيمنة في كل من اتجاه التدفق واتجاه الدوران، فإن التقلب المتurbulent للدوامة لديه تأثير أnisotropy أقوى من تدفق الأنابيب التقليدية، تدفق القنوات وتدفق النفاثات. لذلك، فإن محاكاة الدوامة تشكل تحديًا كبيرًا لطريقة محاكاة الاضطرابات. استخدم Xia وزملاؤه طريقة VLES لحساب مثال تدفق الدوامة القوية الكلاسيكي في الأنبوب؛ أجرى Dellenback وزملاؤه [14] تجارب حقل على هذا المثال ولديهم بيانات تجريبية مفصلة. يبلغ عدد رينولدز لتدفق المثال المحسب 1.0 × 105 (بناءً على قطر الأنبوب الدائري) ورقم الاضطراب هو 1.23. تم استخدام مجموعتين من الشبكات المهيكلة في الحساب. العدد الإجمالي للشبكات النادرة (M1) هو حوالي 900,000 والعدد الإجمالي للشبكات المشفرة (M2) هو حوالي 5.1 مليون. يتم مقارنة نتائج اللحظات الإحصائية التي تم الحصول عليها بالحساب مع النتائج التجريبية لتأكيد دقة حساب طريقة VLES.

تُظهر الشكل 4 مقارنة نتائج الحساب باستخدام طرق مختلفة مع النتائج التجريبية لتوزيع الشعاعي لسرعة المعدل الدائري ومعدل السرعة المتذبذبة عند مواقع مختلفة في المجرى تحت تدفق دوّار قوي. في الرسم، تكون الإحداثيات الأفقية والرأسية تمثل المسافة اللابعدية وسرعة اللابعد على التوالي، حيث D1 هو قطر أنبوب الدخول الدائري وUin هي سرعة المدخلات المتوسطة. كما يمكن رؤيته من الرسم، يظهر حقل التدفق كأعاصير مركبة شبيهة بـ Rankin تتransition تدريجياً إلى أسطوانة جامدة واحدة. عند مقارنة نتائج الحساب مع النتائج التجريبية، يمكن العثور على أن طريقة VLES لديها دقة حساب عالية في التنبؤ بسرعة الالتفاف للتدفق الدوار القوي، والتي تتفق بشكل جيد مع توزيع القياسات التجريبية. أما الطريقة التقليدية RANS فلديها انحراف كبير جداً في حساب التدفق الدوار ولا تستطيع التنبؤ بشكل صحيح بالتطور المكاني لحقل التدفق الدوار والتذبذبات المتurbulent. بالمقارنة، فإن طريقة VLES لديها دقة عالية جداً في التنبؤ بحقل السرعة المتوسطة، وحقل السرعة المتذبذبة والتطور المكاني تحت تدفق دوار قوي ومعقد، ويمكنها ضمان دقة حساب عالية حتى عند دقة شبكة نادرة نسبياً. بالنسبة للتنبؤ بسرعة الالتفاف المتوسطة، فإن نتائج الحساب بطريقة VLES تكون متسقة تقريباً عند دقيقتين مختلفتين للشبكة: نادرة وكثيفة.

محاكاة إديات كبيرة للاحتراق التوربيني

من أجل دراسة إمكانية طريقة VLES في التنبؤ بمشاكل الاحتراق التوربيني [15-16]، تم تطوير نموذج احتراق توربيني يستند إلى طريقة VLES مقرونة بواجهات اللهب المولدة (FGM). الفكرة الأساسية هي الافتراض بأن اللهب التوربيني لديه بنية محلية مشابهة للهب لاميناري أحادي البعد، وأن سطح اللهب التوربيني هو متوسط مجموعة من أسطح اللهب اللاميناري. لذلك، يمكن رسم الفضاء ذي الأبعاد العالية إلى نمط تدفق ذي أبعاد منخفضة يتكون من عدة متغيرات مميزة (نسبة الخليط، ومتغير تقدم التفاعل، وما إلى ذلك). تحت شرط النظر في آلية التفاعل التفصيلية، يتم تقليل عدد معادلات النقل التي يجب حلها بشكل كبير، مما يقلل بشكل ملحوظ من تكلفة الحساب.

العملية التطبيقية المحددة هي بناء جدول البيانات الطبقية لـ FGM بناءً على كسر الخليط والمتغيرات المرتبطة بتقدم التفاعل، مع أخذ التفاعل بين الاحتراق العشوائي بعين الاعتبار من خلال افتراض طريقة دالة الكثافة الاحتمالية لدمج جدول البيانات الطبقية، وبالتالي الحصول على جدول بيانات عشوائي. في الحساب العددي، يتم حل معادلات النقل الخاصة بكسر الخليط ومتغيرات تقدم التفاعل والتباين المقابل لها، والحصول على معلومات حقل الاحتراق من خلال استدعاء جدول البيانات العشوائي.

تم استخدام نموذج الاحتراق المتurbulent المستند إلى VLES و FGM لإجراء حسابات عددية على لهب النفاث العشوائي لمزيج الميثان/الهواء (Flame D) الذي قاسه مختبر سانديا في الولايات المتحدة، وتمت مقارنة كمية مع البيانات القياسية التجريبية. مادة الوقود في مثال لهب سانديا D (رقم رينولدز هو 22400) هي خليط كامل من الميثان والهواء بنسبة حجمية 1:3، سرعة تدفق الوقود حوالي 49.9 م/ث، وسرعة الاستيقاظ حوالي 11.4 م/ث. لهب الواجب هو خليط من الميثان المحترق والهواء، ومادة الاستيقاظ هي الهواء النقي. الحساب يستخدم شبكة مهيكلة، وعدد الشبكات الإجمالي حوالي 1.9 مليون.

يُظهر التوزيع الكسري للكتلة المتوسطة للمكونات المختلفة على طول المحور في الشكل 5. تكون الإحداثيات الأفقية والعمودية في الرسم البياني بدون أبعاد، حيث تمثل المسافة بدون أبعاد (D2 هو قطر أنبوب النفاث عند المدخل) والجزء الكتلي بدون أبعاد، على التوالي. يمكن ملاحظة ذلك من الشكل بأن تنبؤ المكونات الرئيسية لعملية الاحتراق باستخدام طريقة VLES يتفق بشكل عام مع النتائج التجريبية. يُظهر الشكل 6 توزيع درجة الحرارة المتناثرة في مواقع مختلفة أسفل مساحة كسر الخليط. يمكن ملاحظة ذلك من الشكل بأن الاتجاه المتوقع لتوزيع الحرارة بواسطة طريقة VLES يتماشى بشكل أساسي مع النتائج التجريبية، ولكن القيمة القصوى المحسوبة لدرجة الحرارة أعلى قليلاً من القيمة التجريبية. يُظهر الشكل 7 توزيع الدوران الفوري ودرجة الحرارة ودالة التحكم في الحلول المحسوبة باستخدام VLES، حيث تم اتخاذ الخط المستقيم كـ Zst=0.351. يمكن ملاحظة ذلك من الشكل بأن منطقة النفاث الأساسي تعرض اهتزازاً توربينياً قوياً، وعندما يتطور الحقل الانسيابي نحو الأسفل، يزداد حجم الهيكل الدوامي تدريجياً. كما يمكن رؤيته من الشكل 7 (ب) و(ج)، في معظم مناطق التفاعل الكيميائي، تكون دالة التحكم في الحلول بين 0 و1، مما يشير إلى أن شبكة الشبكة المحلية يمكنها التقاط التوربينات الكبيرة فقط محاكاة التوربينات الصغيرة من خلال النموذج. في هذه الحالة، يتصرف VLES كنمط حل تقريبي لمحاكاة الجزيئات الكبيرة. في طبقة قص النفاث والطرف الخارجي لللهب أسفل المجرى، تكون دالة التحكم في الحلول قريبة من 1، مما يشير إلى أن حجم المرشح المقطوع للشبكة الحسابية أكبر من حجم التوربين المحلي. في هذه الحالة، يتصرف VLES كنمط حل غير مستقر لمتوسط ريتشولدز. بصفة عامة، يمكن ملاحظة أن طريقة VLES يمكنها تحقيق تحويلة لأنماط حلول متعددة للتوربينات بناءً على خصائص تطور الهيكل الدوامي الزمنية، ويمكنها التنبؤ بدقة بالعملية الاحتراق غير المستقرة في اللهب التوربيني.

محاكاة الأدوات الكبيرة لعملية التبخر الكاملة

معظم الوقود المستخدم في غرفة الاحتراق لمotor طائرة هو وقود سائل. يدخل الوقود السائل إلى غرفة الاحتراق ويمر بعمليات تبخير أولية وثانوية. هناك العديد من الصعوبات في محاكاة عملية التبخر الكاملة للوقود السائل، بما في ذلك التقاط تكوين الواجهة ثنائية الطور بين الغاز والسائل، والتشوه والانكسار لعمود السائل، وتطور انقسام الحزم والفيلامات السائلة إلى قطرات، والتفاعل بين الجريان المتurbulent والقطرات. قام هوانغ زيوي [19] بتطوير نموذج محاكاة لعملية التبخر الكاملة بناءً على طريقة VLES المدمجة مع طريقة VOFDPM الهجينة لحساب التبخر، مما أتاح المحاكاة العددية الكاملة لعملية تبخير الوقود من السائل المستمر إلى القطرات المنفصلة.

تم استخدام نموذج محاكاة عملية التبخر المطورة حديثًا لإجراء حسابات عددية دقيقة للعملية الكلاسيكية لتبخر العمود السائل الجانبي، وتمت مقارنة تفصيلية مع النتائج التجريبية في الأدبيات المفتوحة [20] ونتائج حسابات محاكاة الطور الكبير [21]. في مثال الحساب، يكون الطور الغازي هو الهواء بسرعات 77.89 و110.0 م/ث على التوالي، والطور السائل هو الماء السائل بسرعة 8.6 م/ث. الأرقام المقابلة لويبر هي 100 و200 على التوالي. من أجل محاكاة أفضل لعملية الكسر الثانوية، يستخدم نموذج الكسر نموذج كلفين-هلمهولتز وريleigh-تايلور (KHRT).

يُظهر الشكل 8 عملية التبخير الكاملة التي تنبأت بها VLES تحت شرط عدد ويبر 100. كما يمكن ملاحظته من الشكل، يتم تكوين طبقة رقيقة من العمود السائل في المنطقة الأولية، ثم يتكسر العمود السائل إلى أشرطة وسلاسل سائلة، ويتكسر إلى قطرات تحت تأثير القوة الهوائية، وتتمزق القطرات إلى قطرات أصغر عبر الكسر الثانوي. تُظهر الشكل 9 توزيع السرعة المتدفقة والدوران العرضي الذي تم حسابه بواسطة VLES تحت شرط عدد ويبر 100. كما يمكن ملاحظته من الشكل، يوجد منطقة دوران عكسي ذات سرعة منخفضة نموذجية على الجانب المحمي من العمود السائل. يمكن الاستدلال من توزيع الدوران الفوري أن الجانب المحمي من العمود السائل يعرض بنية دوامة قوية، وأن الحركة المتurbulent القوية في منطقة الدوران العكسي ذي السرعة المنخفضة تسهم في تمزيق غشاء العمود السائل وتكوين القطرات.

نسبة قطر النفاث الأولي إلى أصغر بُعد تدفق للنفاث السائل عندما يبدأ عمود السائل في التفكك تحت أرقام وبر مختلفة موضحة في الشكل 10. في هذا الشكل، di هو أصغر بُعد تدفق للنفاث السائل عندما يبدأ عمود السائل في التفكك، وD3 هو قطر النفاث السائل الأولي. يمكن ملاحظة من الشكل أن نتائج حساب VLES توافق بشكل جيد مع النتائج التجريبية، وهي أفضل من نتائج محاكاة الجسيمات الكبيرة المذكورة في الأدب [21].

عدم استقرار الاحتراق المحاكاة باستخدام طريقة VLES

من أجل تلبية متطلبات انبعاثات منخفضة، يتم تصميم غرف الاحتراق للطائرات المدنية عادةً باستخدام احتراق مختلط مسبقًا أو جزئيًا مسبقًا وذو خليط فقير. ومع ذلك، فإن الاحتراق المختلط المسبق الفقير يعاني من استقرار ضعيف ويكون عرضة لتحفيز أوضاع الاحتراق المتذبذبة المترافقة مع الت Kopling الحراري الصوتي، مما يؤدي إلى عدم استقرار الاحتراق. يعتبر عدم استقرار الاحتراق مدمرًا للغاية وقد يرافقه مشاكل مثل العودة النارية (Flashback) والتشوه الصلب، وهو مشكلة بارزة تواجه تصميم غرفة الاحتراق.

يمكن تقسيم الحساب العددي للاستقرار أثناء الاحتراق إلى فئتين: طريقة الفصل وطريقة الاقتران المباشر. تعتمد طريقة التنبؤ باستقرار الاحتراق المفصول على فصل الحلول غير المستقرة للاحتراق والأصوات. يتطلب الاحتراق غير المستقر عددًا كبيرًا من العينات الحسابية للحصول على وصف دقيق لللهب. إذا تم استخدام طريقة محاكاة الجسيمات الكبيرة، فإن استهلاك موارد الحوسبة يكون كبيرًا جدًا. تعتمد طريقة الاقتران المباشر على طريقة الحل القابل للانضغاط والحصول مباشرة على نتيجة عدم استقرار الاحتراق من خلال حساب غير مستقر بدقة عالية، أي أن عملية الحساب المتزامن للاحتراق غير المستقر والأصوات تكتمل مرة واحدة ضمن نفس الإطار الحسابي تحت ظروف عمل معينة.

في دراسة محاكاة عددية للاستقرار غير المتصل لعملية الاحتراق، طور هوانغ وزملاؤه [27] نموذج حساب للاستقرار غير المتصل لعملية الاحتراق بناءً على طريقة VLES مقرونة بطريقة حساب اللهب السميك، وحققوا تنبؤًا دقيقًا لعملية الاحتراق غير المستقر تحت التحفيز الصوتي. المثال الحسابي هو اللهب المختلط بالكامل من الإيثيلين/الهواء الذي طورته جامعة كامبريدج، مع نسبة تكافؤ تبلغ 0.55 وعدد رينولدز يقارب 17000. يتم عرض مقارنة بين نتائج الحساب باستخدام VLES والنتائج التجريبية لخصائص الديناميكا الغير مستقرة لللهب تحت التحفيز الصوتي في الشكل 12. يمكن ملاحظة من الشكل أن خلال عملية تحفيز المدخلات، يدور اللهب عند الطبقات الخارجية والداخلية للقص ويتطور إلى زوج من الأعاصير الدوارة المعاكسة. في هذا العملية، يستمر تطور شكل اللهب على شكل فطر مع تغير الزاوية الطورية. تعيد نتائج الحساب باستخدام VLES إنتاج خصائص تطور اللهب التي تم ملاحظتها في التجربة بشكل جيد. يتم عرض مقارنة بين سعة الفرق الطوري لاستجابة معدل إطلاق الحرارة تحت التحفيز الصوتي بتردد 160 هرتز التي تم الحصول عليها باستخدام طرق حسابية مختلفة والقياسات التجريبية في الشكل 13. في الشكل، Q' و Q ͂ هي الحرارة النابضة والحرارة المتوسطة لعملية الاحتراق، على التوالي، A هو عزم الأمواج الصوتية المستحثة، والمحور العمودي لشـكل 13 (ب) هو الفرق في الطور بين إشارة إطلاق الحرارة المؤقتة للاحتراق تحت التحفيز الصوتي وإشارة تحفيز سرعة المدخل. كما يمكن رؤية ذلك من الشكل، دقة التنبؤ بطريقة VLES مقاربة لدقة محاكاة الجسيمات الكبيرة [28]، وكلاهما يتفقان بشكل جيد مع القيم التجريبية. وعلى الرغم من أن طريقة RANS غير المستقرة تتنبأ باتجاه الاستجابة اللاخطية، فإن النتائج الكمية المحاسب عليها تختلف بشكل كبير عن القيم التجريبية. أما بالنسبة لنتائج الفرق في الطور (شكل 13 (ب))، فإن اتجاه الفرق في الطور الذي تم التنبؤ به باستخدام طريقة VLES مع عزم الإزعاج يكون متسقاً بشكل أساسي مع النتائج التجريبية، بينما لا تتنبأ نتائج محاكاة الجسيمات الكبيرة بهذا الاتجاه بشكل جيد.