تقدم الأبحاث حول الأداء الديناميكي الهوائي لغرفة احتراق محرك الطائرة استنادًا إلى محاكاة الدوامة الكبيرة

تقدم الأبحاث حول الأداء الديناميكي الهوائي لغرفة احتراق محرك الطائرة استنادًا إلى محاكاة الدوامة الكبيرة

غرفة الاحتراق هي أحد المكونات الأساسية لمحرك الطائرة، ويلعب الأداء الديناميكي الهوائي لغرفة الاحتراق دورًا حيويًا في أداء المحرك بأكمله. من أجل تلبية المتطلبات الفنية الصارمة بشكل متزايد للمحرك لغرفة الاحتراق، أصبح وضع تنظيم الاحتراق وخصائص التدفق داخل غرفة الاحتراق معقدة للغاية. قد تواجه عملية التباطؤ والضغط للناشر فصل التدفق تحت تدرج ضغط معاكس قوي؛ يمر تدفق الهواء عبر جهاز دوامة متعدد المراحل لتشكيل بنية دوامة واسعة النطاق، مما يعزز من ناحية ذرات الوقود السائل وتبخره ويشكل خليطًا نابضًا وغير مستقر بقوة مع الوقود، ومن ناحية أخرى يولد لهبًا ثابتًا في منطقة إعادة التدوير الديناميكية الهوائية؛ تتفاعل النفاثات المتعددة لثقب الاحتراق / الخلط الرئيسي مع التدفق الجانبي في أنبوب اللهب لتشكيل زوج دوامة متعاكس الدوران، والذي له تأثير مهم على الخلط المضطرب. على أساس التدفق، يتم ربط العمليات الفيزيائية والكيميائية متعددة المقاييس مثل التذرير والتبخير والخلط والتفاعل الكيميائي والتفاعل بين الاضطراب واللهب بقوة، والتي تحدد بشكل مشترك الخصائص الديناميكية الهوائية لغرفة الاحتراق. لطالما كان النمذجة والحساب عالي الدقة لهذه العمليات الفيزيائية والكيميائية موضوعًا ساخنًا للبحث في الداخل والخارج.

تتطور وتتطور عمليات التذرير والتبخر والخلط والاحتراق في غرفة الاحتراق في بيئة تدفق مضطربة، لذا فإن التدفق هو الأساس لمحاكاة الأداء الديناميكي الهوائي لغرفة الاحتراق. السمة الأساسية للاضطراب هي أن معلمات التدفق تظهر نبضًا عشوائيًا بسبب عملية الحمل الحراري غير الخطية. يحتوي الاضطراب على العديد من هياكل الدوامة. تكون فترات الدوامات المختلفة في الطول والمقاييس الزمنية ضخمة، ومع زيادة رقم رينولدز، تزداد الفواصل بين المقاييس بشكل حاد. وفقًا لنسبة هياكل الدوامة المضطربة التي يتم حلها مباشرة، فإن محاكاة الاضطراب تنقسم الطرق إلى محاكاة عددية مباشرة (DNS) وطريقة رينولدز-نافييه-ستوكس المتوسطة (RANS) ومحاكاة الدوامات الكبيرة (LES) وطرق محاكاة الاضطراب المختلط. تحل طريقة RANS، المستخدمة على نطاق واسع في الهندسة، مجال المتوسط ​​المضطرب وتستخدم نموذجًا لمحاكاة جميع معلومات النبض المضطرب. كمية الحساب صغيرة، لكن الدقة ضعيفة. بالنسبة لعمليات الدوامة القوية والتدفق غير المستقر في غرفة الاحتراق، لا يمكن لـ RANS تلبية متطلبات التصميم المحسن. وأشار بيتش إلى أن التعقيد الحسابي لـ LES يقع بين RANS وDNS، ويُستخدم حاليًا لحسابات الاحتراق المضطرب في المساحات غير المقيدة بأرقام رينولدز المتوسطة والمنخفضة. نظرًا لصغر حجم الاضطرابات في المنطقة القريبة من جدار غرفة الاحتراق وارتفاع رقم رينولدز للتدفق، فإن عدد الشبكات المطلوبة لحساب نظام تبريد الهواء لرأس واحد من غرفة الاحتراق وحدها يتراوح بين مئات الملايين إلى المليارات. ويحد هذا الاستهلاك المرتفع للموارد الحسابية من الاستخدام الواسع النطاق لنظام تبريد الهواء في محاكاة غرفة الاحتراق.

إن إنشاء نماذج وطرق حسابية عالية الدقة تعتمد على أطر عمل Very Large Eddy Simulation (VLES) و Hybrid RANS-LES Method هو اتجاه مهم في المحاكاة العددية. تحل طريقة VLES التي طورها هان وآخرون مشكلة الكفاءة الحسابية المنخفضة الناجمة عن تصفية مقياس الشبكة وحل قيود مطابقة مقياس الاضطراب في LES التقليدية، وتحقق نمذجة الاقتران بين خصائص الاضطراب متعددة المقاييس وخصائص التطور العابر ودقة الشبكة. تضبط VLES بشكل تكيفي النسبة بين حل الاضطراب ونمذجة النموذج بناءً على الخصائص في الوقت الفعلي لتطور بنية الدوامة، مما يقلل بشكل كبير من التكاليف الحسابية مع ضمان دقة الحساب.

ومع ذلك، بالمقارنة مع أنظمة الطرد المركزي التقليدية، لم تتم دراسة نظرية وخصائص أنظمة الطرد المركزي ذات المحركات العمودية على نطاق واسع واستخدامها. تقدم هذه الورقة بشكل منهجي نظرية النمذجة الخاصة بأنظمة الطرد المركزي ذات المحركات العمودية وتأثيرات تطبيقها في السيناريوهات الفيزيائية المختلفة المتعلقة بغرف الاحتراق، مما يعزز التطبيق واسع النطاق لأنظمة الطرد المركزي ذات المحركات العمودية في مجال محاكاة غرف احتراق محركات الطائرات.

طريقة محاكاة الدوامة الكبيرة

يظهر تأثير طرق محاكاة الاضطراب على استهلاك موارد الحوسبة والنماذج في الشكل 1. تحقق طرق RANS وLES وVLES محاكاة التدفق من خلال نمذجة الاضطراب. تجدر الإشارة إلى أن أقدم تعريف واضح لـ VLES قدمه Pope، والذي يشير إلى "مقياس الشبكة الحسابية خشن للغاية بحيث تكون طاقة الحركة المضطربة التي تم حلها مباشرة أقل من 80٪ من إجمالي طاقة الحركة المضطربة". في الوقت نفسه، فإن معنى LES الذي قدمه Pope [6] هو "الشبكة الحسابية دقيقة للغاية بحيث تكون طاقة الحركة المضطربة التي تم حلها مباشرة أكبر من 80٪ من إجمالي طاقة الحركة المضطربة". ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن VLES المقدمة في هذه المقالة هي طريقة حسابية جديدة تم إعادة تصميمها وتطويرها على أساس الطريقة السابقة. على الرغم من أن الأسماء هي نفسها، فإن طريقة VLES الجديدة تختلف بشكل أساسي عن طريقة VLES التي حددها Pope. كما يمكن أن نرى من الشكل، فإن أوضاع الاضطراب التقليدية هي RANS وURANS وRANS/LES الهجينة وLES وDNS حسب ترتيب دقة الحساب. وفي إطار النموذج الجديد، يتم تقسيم أوضاع الاضطراب إلى RANS وVLES وDNS حسب ترتيب دقة الحساب. وهذا يعني أن طريقة VLES تحقق توحيد أوضاع الاضطراب التقليدية المتعددة، وتنتقل النماذج المختلفة بشكل تكيفي وتتحول بسلاسة وفقًا للخصائص المحلية في الحسابات الفعلية.

محاكاة العمليات الفيزيائية النموذجية في غرفة الاحتراق

محاكاة الدوامة الكبيرة جدًا للتدفق الدوامي القوي

عادةً ما تتبنى غرفة الاحتراق في محرك الطائرة أشكال تنظيم مجال التدفق مثل الدوامة متعددة المراحل والدوامة القوية. يعد تدفق الدوامة الشكل الأساسي للتدفق في غرفة الاحتراق. نظرًا لأن الدوامة تهيمن في كل من اتجاه التدفق والاتجاه المماسي، فإن النبض المضطرب للدوامة له تباين أقوى من تدفق الأنابيب التقليدي وتدفق القناة وتدفق النفاثات. لذلك، يشكل المحاكاة العددية للدوامة تحديًا كبيرًا لطريقة محاكاة الاضطرابات. استخدم Xia et al. طريقة VLES لحساب مثال تدفق الدوامة القوي الكلاسيكي في الأنبوب؛ أجرى Dellenback et al. [14] تجارب مجال التدفق على هذا المثال ولديهم بيانات تجريبية مفصلة. رقم رينولدز للتدفق للمثال المحسوب هو 1.0×105 (بناءً على قطر الأنبوب الدائري) ورقم الدوامة هو 1.23. يتم استخدام مجموعتين من الشبكات المنظمة في الحساب. يبلغ العدد الإجمالي للشبكات المتفرقة (M1) حوالي 900,000 ويبلغ العدد الإجمالي للشبكات المشفرة (M2) حوالي 5.1 مليون. تتم مقارنة نتائج اللحظة الإحصائية التي تم الحصول عليها عن طريق الحساب بشكل أكبر بالنتائج التجريبية للتحقق من دقة حساب طريقة VLES.

يوضح الشكل 4 مقارنة نتائج الحسابات للطرق المختلفة والنتائج التجريبية للتوزيع الشعاعي للسرعة المتوسطة المحيطية والسرعة النابضة في مواضع مختلفة في اتجاه مجرى النهر تحت تدفق دوامي قوي. في الشكل، تكون الإحداثيات الأفقية والرأسية هي المسافة بلا أبعاد والسرعة بلا أبعاد على التوالي، حيث D1 هو قطر الأنبوب الدائري الداخل وUin هي متوسط ​​سرعة المدخل. وكما يمكن رؤيته من الشكل، يُظهر مجال التدفق دوامة مركبة نموذجية تشبه رانكين تتحول تدريجيًا إلى دوامة جسم صلب واحد. وبمقارنة النتائج الحسابية والتجريبية، يمكن إيجاد أن طريقة VLES تتمتع بدقة حساب عالية للتنبؤ بالسرعة المحيطية للتدفق الدوامي القوي، وهو ما يتفق جيدًا مع توزيع القياسات التجريبية. تتميز طريقة RANS التقليدية بانحراف كبير جدًا في حساب التدفق الدوامي ولا يمكنها التنبؤ بشكل صحيح بالتطور المكاني لحقل التدفق الدوامي والنبض المضطرب. وبالمقارنة، تتمتع طريقة VLES بدقة عالية جدًا في التنبؤ بحقل السرعة المتوسطة وحقل السرعة النابضة والتطور المكاني في ظل التدفق الدوامي القوي المعقد، ولا تزال قادرة على ضمان دقة حساب عالية حتى في دقة الشبكة المتفرقة نسبيًا. بالنسبة للتنبؤ بالسرعة المتوسطة المحيطية، فإن نتائج حساب طريقة VLES متسقة بشكل أساسي في مجموعتين من دقة الشبكة المتفرقة والكثيفة.

محاكاة الدوامة الكبيرة للاحتراق المضطرب

من أجل دراسة جدوى طريقة VLES في التنبؤ بمشاكل الاحتراق المضطرب [15-16]، تم تطوير نموذج احتراق مضطرب يعتمد على طريقة VLES مقترنًا بالمشعبات المولدة من اللهب الصغير (FGM). الفكرة الأساسية هي افتراض أن اللهب المضطرب له بنية لهب رقائقي أحادية البعد محليًا، وأن سطح اللهب المضطرب هو متوسط ​​المجموعة لسلسلة من أسطح اللهب الرقائقي. لذلك، يمكن تعيين مساحة المكونات عالية الأبعاد إلى نمط تدفق منخفض الأبعاد يتكون من عدة متغيرات مميزة (كسر الخليط، ومتغير تقدم التفاعل، وما إلى ذلك). في ظل شرط مراعاة آلية التفاعل التفصيلية، يتم تقليل عدد معادلات النقل المراد حلها بشكل كبير، وبالتالي تقليل التكلفة الحسابية بشكل كبير.

تتمثل عملية التنفيذ المحددة في إنشاء جدول بيانات رقائقي FGM بناءً على متغيرات جزء الخليط وتقدم التفاعل، والنظر في التفاعل بين الاحتراق المضطرب من خلال افتراض طريقة دالة كثافة الاحتمال لدمج جدول البيانات الرقائقي، وبالتالي الحصول على جدول البيانات المضطرب. في الحساب العددي، يتم حل معادلات نقل جزء الخليط ومتغيرات تقدم التفاعل والتباين المقابل، ويتم الحصول على معلومات مجال الاحتراق من خلال الاستعلام عن جدول البيانات المضطرب.

تم استخدام نموذج الاحتراق المضطرب القائم على VLES و FGM لإجراء حسابات عددية على شعلة نفث الميثان / الهواء المضطربة (Flame D) التي تم قياسها بواسطة مختبر Sandia في الولايات المتحدة، وتم إجراء مقارنات كمية مع بيانات القياس التجريبية. مادة الوقود لنموذج Sandia Flame D (رقم رينولدز هو 22400) عبارة عن خليط كامل من الميثان والهواء بنسبة حجم 1: 3، وسرعة مدخل الوقود حوالي 49.9 م / ث، وسرعة الاستيقاظ حوالي 11.4 م / ث. شعلة الخدمة عبارة عن خليط من الميثان المحترق والهواء، ومادة الاستيقاظ هي الهواء النقي. يستخدم الحساب شبكة منظمة، ويبلغ العدد الإجمالي للشبكات حوالي 1.9 مليون.

يظهر توزيع متوسط ​​الكسر الكتلي للمكونات المختلفة على طول المحور في الشكل 5. الإحداثيات الأفقية والرأسية في الشكل هي مسافة بلا أبعاد (D2 هو قطر أنبوب نفث المدخل) وكسر كتلة بلا أبعاد على التوالي. يمكن ملاحظة من الشكل أن التنبؤ بالمكونات الرئيسية لعملية الاحتراق بواسطة طريقة VLES يتفق بشكل عام مع النتائج التجريبية. يظهر التوزيع المبعثر لدرجة الحرارة في مواضع مختلفة في اتجاه مجرى النهر في مساحة الكسر المختلط في الشكل 6. يمكن ملاحظة من الشكل أن اتجاه التوزيع المبعثر الذي تنبأت به طريقة VLES يتوافق بشكل أساسي مع النتائج التجريبية، وأن قيمة درجة الحرارة القصوى المحسوبة فقط أعلى قليلاً من القيمة التجريبية. يظهر توزيع الدوامة اللحظية ودرجة الحرارة ووظيفة التحكم في الدقة المحسوبة بواسطة VLES في الشكل 7، حيث يتم أخذ الخط الصلب على أنه Zst = 0.351. يمكن ملاحظة من الشكل أن منطقة نفاثة القلب تظهر نبضات مضطربة قوية، ومع تطور مجال التدفق في اتجاه مجرى النهر، يزداد مقياس بنية الدوامة تدريجيًا. كما يمكن ملاحظة من الشكل 7 (ب) و (ج)، في معظم مناطق التفاعل الكيميائي، تكون دالة التحكم في الدقة بين 0 و 1، مما يشير إلى أن دقة الشبكة المحلية يمكنها التقاط الاضطرابات واسعة النطاق ومحاكاة الاضطرابات صغيرة النطاق فقط من خلال النموذج. في هذا الوقت، يتصرف VLES كوضع حل محاكاة الدوامة الكبيرة التقريبي. في طبقة قص النفاثة والحافة الخارجية للهب المصب، تكون دالة التحكم في الدقة قريبة من 1، مما يشير إلى أن مقياس المرشح المقطوع للشبكة الحسابية أكبر من مقياس الاضطرابات المحلية. في هذا الوقت، يتصرف VLES كوضع حل متوسط ​​رينولدز غير مستقر. باختصار، يمكن ملاحظة أن طريقة VLES يمكنها تحقيق تحويل أوضاع حل الاضطراب المتعددة وفقًا لخصائص الوقت الفعلي لتطور بنية الدوامة، ويمكنها التنبؤ بدقة بعملية الاحتراق غير المستقرة في اللهب المضطرب.

محاكاة الدوامة الكبيرة لعملية الذرة الكاملة

معظم الوقود المستخدم في غرفة الاحتراق بمحرك الطائرة هو وقود سائل. يدخل الوقود السائل إلى غرفة الاحتراق ويخضع لعمليات ذرية أولية وذرية ثانوية. هناك العديد من الصعوبات في محاكاة عملية الذرات الكاملة للوقود السائل، بما في ذلك التقاط تكوين الواجهة الطوبولوجية ثنائية الطور للغاز والسائل، وتشوه عمود السائل وتمزقه، وتطور تفكك نطاقات السائل وخيوط السائل إلى قطرات، والتفاعل بين التدفق المضطرب والقطرات. طور هوانغ زيوي [19] نموذج محاكاة كامل لعملية الذرات بناءً على طريقة VLES مقترنة بطريقة حساب الذرات الهجينة VOFDPM، مما أدى إلى تحقيق المحاكاة العددية الكاملة لعملية ذرات الوقود من السائل المستمر إلى القطرات المنفصلة.

تم استخدام نموذج محاكاة عملية ذرية تم تطويره حديثًا لإجراء حسابات عددية عالية الدقة لعملية ذرية عمود السائل ذات التدفق الجانبي الكلاسيكي، وتم إجراء مقارنة مفصلة مع النتائج التجريبية في الأدبيات المفتوحة [20] ونتائج حساب محاكاة الدوامة الكبيرة [21]. في مثال الحساب، الطور الغازي هو الهواء بسرعات 77.89 و 110.0 م / ث على التوالي، والطور السائل هو الماء السائل بسرعة 8.6 م / ث. أرقام ويبر المقابلة هي 100 و 200 على التوالي. من أجل محاكاة عملية الانفصال الثانوي بشكل أفضل، يتبنى نموذج الانفصال نموذج كلفن-هيلمهولتز ورايلي-تايلور (KHRT).

تظهر عملية التذرير الكاملة التي تنبأت بها VLES في ظل شرط رقم ويبر 100 في الشكل 8. وكما يمكن رؤيته من الشكل، تتشكل طبقة رقيقة من عمود السائل في المنطقة الأولية، ثم ينكسر عمود السائل إلى أشرطة سائلة وخيوط سائلة، وينكسر إلى قطرات تحت تأثير القوة الديناميكية الهوائية، وتنقسم القطرات إلى قطرات أصغر من خلال التفكك الثانوي. يظهر في الشكل 100 سرعة التيار وتوزيع الدوامة على نطاق واسع المحسوب بواسطة VLES في ظل شرط رقم ويبر 9. وكما يمكن رؤيته من الشكل، توجد منطقة إعادة تدوير نموذجية منخفضة السرعة على الجانب المواجه للريح من عمود السائل. ويمكن العثور من توزيع الدوامة اللحظية على أن الجانب المواجه للريح من عمود السائل يُظهر بنية دوامة قوية، وتساهم الحركة المضطربة القوية في منطقة إعادة التدوير منخفضة السرعة في تمزق طبقة عمود السائل وتكوين القطرات.

يظهر في الشكل 10 نسبة قطر النفاثة الأولية إلى الحد الأدنى لبعد التدفق لنفاثة السائل عندما يبدأ عمود السائل في التفكك تحت أرقام ويبر المختلفة. في الشكل، di هو الحد الأدنى لبعد التدفق لنفاثة السائل عندما يبدأ عمود السائل في التفكك، وD3 هو قطر نفاثة السائل الأولية. يمكن ملاحظة من الشكل أن نتائج حساب VLES تتفق جيدًا مع النتائج التجريبية، وهي أفضل من نتائج حساب محاكاة الدوامة الكبيرة في الأدبيات [21].

محاكاة الدوامة الكبيرة جدًا لعدم استقرار الاحتراق

من أجل تلبية متطلبات الانبعاثات المنخفضة، عادة ما يتم تصميم غرف احتراق الطائرات المدنية باستخدام احتراق هزيل مسبق الخلط أو جزئيًا. ومع ذلك، فإن الاحتراق المختلط مسبقًا الهزيل يتمتع باستقرار ضعيف وهو عرضة لإثارة أنماط احتراق التذبذب المقترن بالحرارة الصوتية، مما يؤدي إلى عدم استقرار الاحتراق. عدم استقرار الاحتراق مدمر للغاية وقد يكون مصحوبًا بمشاكل مثل الارتداد والتشوه الصلب، وهي مشكلة بارزة يواجهها تصميم غرفة الاحتراق.

يمكن تقسيم الحساب العددي لعدم استقرار الاحتراق إلى فئتين: طريقة الفصل وطريقة الاقتران المباشر. تفصل طريقة التنبؤ بعدم استقرار الاحتراق المنفصل بين الاحتراق غير المستقر والحلول الصوتية. يتطلب الاحتراق غير المستقر عددًا كبيرًا من عينات الحساب العددي لبناء دالة وصف اللهب الموثوقة. إذا تم استخدام طريقة حساب محاكاة الدوامة الكبيرة، فإن استهلاك موارد الحوسبة الخاصة بها يكون كبيرًا جدًا. تعتمد طريقة حساب الاقتران المباشر على طريقة الحل القابل للضغط، وتحصل مباشرة على نتيجة عدم استقرار الاحتراق من خلال حساب غير مستقر عالي الدقة، أي أن عملية حساب اقتران الاحتراق غير المستقر والصوتيات في ظل ظروف العمل المحددة تكتمل في وقت واحد ضمن نفس إطار الحساب.

في دراسة المحاكاة العددية لفصل عدم استقرار الاحتراق، طور هوانج وآخرون [27] نموذجًا لحساب عدم استقرار الاحتراق يعتمد على طريقة VLES المقترنة بطريقة حساب اللهب المتكاثف، وحققوا تنبؤًا دقيقًا بعملية الاحتراق غير المستقرة تحت الإثارة الصوتية. مثال الحساب هو لهب ثابت من الإيثيلين / الهواء مخلوط مسبقًا بالكامل تم تطويره بواسطة جامعة كامبريدج، بنسبة تكافؤ 0.55 ورقم رينولدز حوالي 17000. يظهر في الشكل 12 المقارنة بين نتائج حساب VLES والنتائج التجريبية لخصائص ديناميكية اللهب غير المستقر تحت الإثارة الصوتية. يمكن ملاحظة من الشكل أنه أثناء عملية إثارة المدخل، يتدحرج اللهب عند طبقات القص الداخلية والخارجية ويتطور إلى زوج دوامة متعاكسة الدوران. في هذه العملية، يستمر تطور ملف تعريف اللهب على شكل عيش الغراب في التطور مع تغيير زاوية الطور. إن نتائج حسابات VLES تعيد إنتاج خصائص تطور اللهب التي لوحظت في التجربة بشكل جيد. يظهر في الشكل 160 مقارنة بين سعة وفرق الطور لاستجابة معدل إطلاق الحرارة تحت إثارة صوتية بتردد 13 هرتز تم الحصول عليها من خلال طرق حسابية مختلفة وقياسات تجريبية. في الشكل، Q' و Q͂ هما إطلاق الحرارة النابض وإطلاق الحرارة المتوسط ​​للاحتراق، على التوالي، A هي سعة الإثارة الصوتية الجيبية، وإحداثي الشكل 13 (ب) هو فرق الطور بين إشارة إطلاق الحرارة العابرة للاحتراق تحت الإثارة الصوتية وإشارة إثارة سرعة المدخل. وكما يمكن رؤيته من الشكل، فإن دقة التنبؤ لطريقة VLES قابلة للمقارنة بدقة محاكاة الدوامة الكبيرة [28]، وكلاهما يتفق جيدًا مع القيم التجريبية. على الرغم من أن طريقة RANS غير المستقرة تتنبأ باتجاه الاستجابة غير الخطية، إلا أن النتائج الكمية المحسوبة تنحرف كثيرًا عن القيم التجريبية. بالنسبة لنتائج فرق الطور (الشكل 13 (ب))، فإن اتجاه فرق الطور الذي تنبأت به طريقة VLES مع سعة الاضطراب يتوافق بشكل أساسي مع النتائج التجريبية، في حين أن نتائج محاكاة الدوامة الكبيرة لا تتنبأ بالاتجاه المذكور أعلاه جيدًا.