Прогрес в изследването на аеродинамическата производителност на горещата камера на самолетен двигател, базирана на симулация с голями вихри

Прогрес в изследването на аеродинамическата производителност на горещата камера на самолетен двигател, базирана на симулация с голями вихри

Камерата за горене е една от основните компоненти на авиационния двигател, и аеродинамичната производителност на камерата за горене играе ключова роля в производителността на целия двигател. За да се изпълнят все по-строгите технически изисквания на двигателя към камера за горене, организационният режим на горенето и поточните характеристики вътре в камера за горене са станали много сложни. Процесът на забавяне и надпрежаване при дифузора може да срещне разцепване на потока при силен неблагоприятен притисъчен градиент; въздухът минава през многократно завивно устройство, което образува големи масштабни вихреви структури, които от една страна насърчават дробенето и испаряването на течното гориво и формират силно пулсираща, нестабилна смес с горивото, а от друга страна произвежда неподвижен пламък в аеродинамичната зона на рециркуляция; множеството струи от главното отворено/смесващо отворче взаимодействат с боковия поток в пламенната труба, образувайки противобегащи вихреви двойки, които имат важно влияние върху турбулентното смесване. На базата на потока, мулти-масштабните физико-химични процеси като дробене и испаряване, смесване, химически реакции и взаимодействие между турбулентността и пламъка са силно свързани, което общо определя аеродинамичните характеристики на камерата за горене. Високоточното моделиране и изчисление на тези физико-химични процеси са винаги били гореща тема за изследване както в България, така и чужбина.

Процесите на атомизиране, евапорация, смесване и горене в камера за горене се развивают и преминават в среда с турбулентен поток, така че потокът е основата за симулацията на аеродинамическата производителност на камера за горене. Основната характеристика на турбулентността е, че параметрите на потока показват случайно пулсиране поради нелинейния процес на конвекция. Турбулентността съдържа много вихри. Пространствените и времевите размахи на различните вихри са огромни, и с увеличаването на числото на Рейнолдс, размахът между мащабите се засилва рязко. Според дяла от турбулентните вихрени структури, които се решават директно, симулацията на турбулентността  методите се делят на директно числено моделиране (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), моделиране на големи вихри (LES) и смесени методи за моделиране на турбулентност. RANS методът, който е широко използван в инженерни цели, решава турбулентното средно поле и използва модел за да моделира всичка информация за турбулентните пулсации. Количество на пресмятанията е малко, но точността е слаба. За силно завивки и нестабилни проточни процеси в камера за горене, RANS не може да отговаря на изискванията за детайлна проекция. Питш посочи, че изчислителната комплексност на LES е между RANS и DNS, и сега се използва за моделиране на турбулентно горене в пространства без ограничения с средни и ниски числа на Рейнолдс. Поради малките размери на турбулентността в близост до стените на камера за горене и високите числа на Рейнолдс на потока, количеството мрежови елементи, необходими само за LES пресмятането на един главен капак на камерата за горене, е стотици милиони до милиарди. Толкова високото потребление на изчислителни ресурси ограничава широкото приложение на LES в симулациите на камери за горене.

Създаването на модели и методи за изчисления с висока точност, базирани на рамките на Симулацията на Едрица с Голяма Маса (VLES) и Хибридния метод RANS-LES, е важна тенденция в числовото моделиране. VLES методът, разработен от Хан и неговите колеги, решава проблема с ниска изчислителна ефективност, причинен от филтриране на мрежовата скала и съответствие при решаването на турбулентната скала в традиционния LES, и осъществява купуване между моделите за много-масштабни турбулентни характеристики, променливите им еволюционни характеристики и мрежовата резолюция. VLES адаптивно регулира отношението между турбулентното решение и моделите според реалните характеристики на еволюцията на вихровата структура, значително намалява изчислителните разходи, като същевременно гарантира точността на изчислението.

Все пак, според традиционния LES, теорията и характеристиките на VLES все още не са достатъчно изследвани и приложени. Тази статия системно въвежда моделната теория на VLES и нейните приложни ефекти в различни физически ситуации, свързани с камери за горење, което насърчава широкомасовото приложение на VLES в областта на симулацията на камера за горење на самолетни motorи.

Метод на симулация с голями вихри

Влиянието на методите за симулиране на турбулентността върху използването на изчислителни ресурси и моделите е показано на фигура 1. Методите RANS, LES и VLES постигат симулиране на потока чрез моделиране на турбулентността. Трябва да се отбележи, че най-ранното ясно определение на VLES беше дадено от Поп, което се отнася до „масштаба на изчислителната мрежа е твърде груб, така че директно решаваната турбулентна кинетична енергия е по-малко от 80% от общата турбулентна кинетична енергия“. Едновременно, значението на LES, дадено от Поп [6], е „изчислителната мрежа е много тонка, така че директно решаваната турбулентна кинетична енергия е повече от 80% от общата турбулентна кинетична енергия“. Въпреки това, трябва да се отбележи, че VLES, представен в тази статия, е нов изчислителен метод, преработен и развит върху предишния метод. Въпреки че името е същото, новият метод VLES е съществено различен от метода VLES, определен от Поп. Както може да се види от фигурата, традиционните режими на турбулентност са RANS, URANS, хибридни RANS/LES, LES и DNS, подредени според точността на изчисленията. Под новата моделна рамка, режимите на турбулентност са разделяни на RANS, VLES и DNS, подредени според точността на изчисленията. Това означава, че методът VLES осъществява унификацията на няколко традиционни режима на турбулентност, а различните модели адаптивно преходят и се преобразуват гладко според локалните характеристики при реалните изчисления.

Симуляция на типични физически процеси в камера за горене

Много голяма едисонска симуляция на силно завивателен поток

Камерата за горене на самолетния двигател обикновено използва форми за организиране на полето на потока, като многостепенен завой и силен завой. Завивателният поток е най-основната форма на потока в камерата за горене. Тъй като завоят доминира както в посоката на потока, така и в джезовата посока, турбулентното пулсиране на завоя има по-силна анитропия от традиционните трубкови, канални и струйни потоци. Следователно, числената симуляция на завоя предлага голяма предизвикателство за методите на симулиране на турбулентността. Ся и колегите използваха метода VLES за изчисление на класичния пример за силно завивателен поток в трубата; Деленбак и колегите [14] провеждаха експерименти с полето на потока върху този пример и разполагат с детайлирани експериментални данни. Рейнолдсовият номер на потока на изчисления пример е 1.0 × 105 (основано на диаметъра на кръглата тръба) и броят на завойността е 1.23. За изчисленията се използват две групи от структурирани мрежи. Общият брой на разредените мрежи (M1) е около 900 000, а общият брой на шифрованите мрежи (M2) е около 5,1 милиона. Резултатите за статистически моменти, получени чрез изчисления, се сравняват по-нататък с експерименталните резултати, за да се провери изчислителната точност на метода VLES.

Сравнението на резултатите от изчисленията с различни методи и експерименталните резултати за радиалното разпределение на средната обиколна скорост и пулсиращата скорост при различни позиции надолу под силно завихрен поток е показано на фигура 4. На фигурата хоризонталните и вертикалните координати са безразмерното разстояние и безразмерната скорост, съответно, където D1 е диаметърът на входната кръгла тръба, а Uin е средната входна скорост. От фигурата може да се види, че полето на течността показва типично Ранкиновско сродно сложено завихрение, постепенно преминаващо в едно единствено твърдо тяло завихрение. Сравнявайки изчислителните и експерименталните резултати, може да се установи, че методът VLES има висока точност при предсказването на обиколната скорост на силно завихрен поток, която се съвпада добре с разпределението на експерименталните измервания. Традиционният метод RANS има много голяма отклонение при изчисляването на завихрените потоци и не може правилно да предсказва пространственото развитие на завихреното поле на течността и турбулентните пулсации. В сравнение, методът VLES има много висока точност при предсказването на полето на средната скорост, полето на пулсиращата скорост и пространственото развитие при комплексни силно завихрени потоци, като все още гарантира висока изчислителна точност дори при относително редуцирана мрежова резолюция. За предсказването на средната обиколна скорост, изчислителните резултати на метода VLES са почти съвпадащи при две групи с редуцирана и плътна мрежова резолюция.

Моделиране на големи вихри при турбулентното горене

За да се проучи възможността метода VLES да бъде използван за предвиждане на задачи свързани с турбулентно горене [15-16], е разработена моделна система за турбулентно горене, базирана на метода VLES и комбинирана с пламенните манифолдове (FGM). Основната идея е да се приеме, че турбулентният пламък има локално структура на единомерен ламинарен пламък, а повърхнината на турбулентния пламък е ансамблното средно от серия ламинарни пламенните повърхнини. Следователно, високоразмерното пространство на компонентите може да бъде пресметнато към нискоразмерен потоуказващ шаблон, съставен от няколко характеристични променливи (мixture fraction, реакционна прогресивна променлива и др.). При условие детайлния механизъм на реакцията да бъде взет предвид, броят на транспортните уравнения, които трябва да се решават, се намалява значително, което води до значително намаление на изчислителните разходи.

Определеният процес на реализация е да се построи FGM ламинарената таблица с данни, базирана на дробята на смесването и променливите за напредване на реакцията, като се има предвид взаимодействието между турбулентното горене чрез приемане на метода на вероятностната плътност на функцията за интегриране на ламинарната таблица с данни и след това да се получи турбулентната таблица с данни. При численото изчисление се решават транспортните уравнения на дробята на смесването, променливите за напредване на реакцията и съответния им варианс, а информацията за полето на горенето се получава чрез търсене в турбулентната таблица с данни.

Моделът за турбулентно горене, базиран на VLES и FGM, е използван за провеждане на числови изчисления върху турбулентното пламенно струване на метан/въздух (Flame D), измерено от лабораторията Sandia в САЩ, и са направени количествени сравнения с експерименталните измервания. Горивният материал на примера Flame D на Sandia (Рейнолдсово число 22400) е пълен смесен метан и въздух с обемно отношение 1:3, скоростта на входящото гориво е около 49,9 м/с, а скоростта на следовете е около 11,4 м/с. Обязателното пламенно струване е смес от горяч метан и въздух, а материала на следовете е чист въздух. Изчисленията използват структурирана решетка, общият брой на решетките е около 1,9 милиона.

Разпределението на средната масова фракция на различните компоненти вдълг оста е показано на фигура 5. Хоризонталните и вертикалните координати на фигурата са безразмерно разстояние (D2 е диаметърът на входната струна) и безразмерна масова фракция, съответно. От фигурата може да се види, че прогнозата за основните компоненти на процеса на горене чрез метода VLES е общо взето в добро съответствие с експерименталните резултати. Разпространеното разпределение на температурата на различни позиции надолу по течността е показано на фигура 6. От фигурата може да се види, че разпространеното разпределение, предвидено от метода VLES, е основно съвместимо с експерименталните резултати, а единствено изчисленият крайен температурен стойност е малко по-висок от експерименталната стойност. Разпределението на моментната вихрина, температурата и функцията за контрол на разрешаването, изчислени чрез VLES, е показано на фигура 7, където твърда линия е взета като Zst=0.351. От фигурата може да се види, че областта на ядрото на струната показва силна турбулентна пулсация, и докато полето на течността се развива надолу, мащабът на вихровата структура постепенно се увеличава. Както може да се види от фигура 7 (b) и (c), в повечеството химически реактивни области функцията за контрол на разрешаването е между 0 и 1, което означава, че локалната мрежа за разрешаване може да улавя големи турбулентни мащаби и само да моделира малките турбулентни мащаби чрез модел. В този момент VLES се държи като приблизителен режим за решение при големи едици. В слоя на стрижка на струната и във външния край на пламъка надолу, функцията за контрол на разрешаването е близо до 1, което означава, че обрязаният филтърен мащаб на изчислителната мрежа е по-голям от локалния турбулентен мащаб. В този момент VLES се държи като неустойчив режим за решение на Рейнолдсови средни стойности. Сподуквано, може да се види, че методът VLES може да реализира прехода между различни режими за решение на турбулентността според реалните характеристики на еволюцията на вихровата структура и може точно да предвижда неустойчивия процес на горене в турбулентните пламъци.

Симуляция на голяма вихрина на целия процес на атомизиране

Повечето от горивото, използвано в камера за горене на авиационен двигател, е течно гориво. Течното гориво влиза в камерата за горене и преминава през процесите на първоначална и вторична атомизация. Има много предизвикателства при симулирането на целия процес на атомизиране на течното гориво, включително заснемането на конфигурацията на двофазния топологичен интерфейс между газа и течността, деформацията и разкъсването на течните стълби, развитието на разпадането на течни ленти и нишки до капки, както и взаимодействието между турбулентния поток и капките. Хуанг Цицей [19] разработи модел за симулиране на целия процес на атомизиране, базиран на метода VLES, комбиниран с гибридния метод за атомизиране VOFDPM, постигайки численото моделиране на целия процес на атомизиране на горивото от непрекъснато течно състояние до дискретни капки.

Използван е ново разработен модел за симулация на процеса на атомизиране, за да се извършат високопrecизионни числови изчисления на класическия процес на атомизиране на бокова струя на течност, и да се направи детайлно сравнение с експерименталните резултати в публичната литература [20] и резултатите от изчисленията с метода на голямите вихри [21]. В примера за изчисление, газовата фаза е въздух с скорости съответно 77,89 и 110,0 м/с, а течната фаза е течна вода със скорость 8,6 м/с. Съответните числа на Weber са 100 и 200. За по-точна симулация на вторичния процес на разбиране, моделят за разбиране използва Kelvin-Helmholtz и Rayleigh-Taylor (KHRT) модел.

Пълен процес на атомизиране, предсказан от VLES при условие на номер Weber 100, е показан на фигура 8. Както може да се види от фигурата, в началната област се образува тънък слой от колона на течност, след което колоната се разбива на течни ленти и нитки, и под действието на аеродинамична сила се разбива на капки, които по-нататъшно се разбиват на по-малки капки чрез вторичен разпад. Скоростта на потока и разпределението на продължителната вorticитетност, пресметнати от VLES при условие на номер Weber 100, са показани на фигура 9. Както може да се види от фигурата, има типична зона с ниска скорост и обратно кръговение от страната, противоположна на вятъра, на колоната от течност. От мигновеното разпределение на vorticитетността може да се забележи, че противоположната на вятъра страна на колоната от течност показва силна вихрична структура, а силното турбулентно движение в зоната с ниска скорост и обратно кръгове допринася за разбирането на листа на колоната от течност и образуването на капки.

Отношението на първоначалният диаметър на струята към минималната размерност на течността, когато колоната от течност започва да се разпада при различни числа на Вейбър, е показано на Фигура 10. В фигурата di е минималната размерност на течността, когато колоната започва да се разпада, а D3 е първоначалният диаметър на струята от течност. От фигурата може да се види, че резултатите от VLES изчисления са добре съгласувани с експерименталните резултати, които са по-добри от резултатите на изчислението с голяма вихрова симулация, представени в литература [21].

Неустойчивост на горене Суперизчисление на Много големи вихри

За да отговаря на изискванията за ниски емисии, камерите за горење на гражданска авиация обикновено се проектират с предварително смесени или частично предварително смесени топли с бедна горење. Всъщност, бедното предварително смесено горење има лоша стабилност и лесно може да породи термоакустически комбинирани осцилаторни режими на горењето, които водят до нестабилност на горењето. Нестабилността на горењето е силно разрушителна и може да се срещне с проблеми като връщане на пламъка и дебформация на твърдата masa, което е значителен проблем, с който се сблъскват проектирането на камерите за горење.

Численото изчисление на нестабилността при горенето може да се раздели на две категории: метод на декуплиране и метод на директно свързване. Декуплиран метод за предвиждане на нестабилността при горенето декупира неустойчивото горене и акустичните решения. Неустойчивото горене изисква голям брой числови изчислителни примери, за да се построи надежден описателен функционал на пламена. Ако се използва метода на големите вихри, неговото потребление на изчислителни ресурси е твърде голямо. Методът на директно свързване за изчисления се основава на компресибилния метод на решение и пряко получава резултата от нестабилността при горенето чрез точни неустойчиви изчисления, тоест процесът на свързване между неустойчивото горене и акустика при дадени работни условия се завършва един път в рамките на същия изчислителен фramework.

При изучаването на численото моделиране на декуплирането на нестабилността при горенето, Хуанг и кол. [27] разработиха модел за изчисление на нестабилността при горенето, базиран на метода VLES, комбиниран с метода на утънченото пламене, и постигнаха точно предвиждане на нестабилния процес на горенето при акустично възбуждане. Примерът за изчисления е неподвижно пламенно тяло от етилен/въздух, напълно предсмешано, разработено от Кеймбриджкия университет, с еквивалентен коефициент от 0,55 и Рейнолдсов номер около 17000. Сравнението между резултатите от изчисленията с метода VLES и експерименталните резултати за динамиката на нестабилното пламенно състояние при акустично възбуждане е показано на фигура 12. От фигурата се вижда, че по време на процеса на входно възбуждане, пламъкът се завива на вътрешния и външния слой на стрижането и се развива в пара въртящи се в противоположни посоки вихри. В този процес развитието на формата на гъбовидния пламък продължава да се развива с промяната на фазовия ъгъл. Резултатите от изчисленията с метода VLES добре воспроизвеждат характеристиките на развитието на пламъка, наблюдавани в експеримента. Сравнението на амплитудата и фазовата разлика на отговора на скоростта на освобождаване на топлина при акустично възбуждане на 160 Hz, получени чрез различни методи за изчисление и експериментални измервания, е показано на фигура 13. В фигурата Q' и Q ͂ са съответно пулсиращото и средното освобождаване на топлина от горенето, А е амплитудата на синусоидното акустично възбудяване, а ординатата на фигура 13 (б) е фазовата разлика между променливото сигнал за освобождаване на топлина при акустично възбудяване и сигналът за влизане на скоростта. Както се вижда от фигурата, точността на предсказване с метода VLES е сравнима с точността на симулацията с голями вихри [28], и двете са добре съгласувани с експерименталните стойности. Въпреки че методът на нестабилни RANS предвижда трендът на нелинейния отговор, изчислени количествени резултати се отклоняват значително от експерименталните стойности. За резултатите по фазовата разлика (фигура 13 (б)), трендът на фазовата разлика, предвидена от метода VLES спрямо амплитудата на摄扰бации, е почти съвместим с експерименталните резултати, докато резултатите от симулацията с голями вихри не предвеждат добре горепосоченият тренд.