Напредък на изследванията върху аеродинамичните характеристики на горивната камера на самолетен двигател въз основа на симулация на големи вихри

Напредък на изследванията върху аеродинамичните характеристики на горивната камера на самолетен двигател въз основа на симулация на големи вихри

Горивната камера е един от основните компоненти на двигателя на самолета и аеродинамичните характеристики на горивната камера играят жизненоважна роля за работата на целия двигател. За да се отговори на все по-строгите технически изисквания на двигателя за горивната камера, режимът на организация на горенето и характеристиките на потока вътре в горивната камера станаха много сложни. Процесът на забавяне и херметизиране на дифузора може да доведе до разделяне на потока при силен неблагоприятен градиент на налягането; въздушният поток преминава през многостепенно завихрящо устройство, за да образува широкомащабна вихрова структура, която от една страна насърчава пулверизирането и изпаряването на течното гориво и образува силно пулсираща, нестабилна смес с горивото, а от друга страна генерира стационарен пламък в аеродинамичната рециркулационна зона; множеството струи на основния отвор за горене/смесване взаимодействат със страничния поток в пламъчната тръба, за да образуват противоположно въртяща се вихрова двойка, която има важно влияние върху турбулентното смесване. Въз основа на потока многомащабните физични и химични процеси като атомизация и изпарение, смесване, химическа реакция и взаимодействие между турбулентност и пламък са силно свързани, които заедно определят аеродинамичните характеристики на горивната камера. Високопрецизното моделиране и изчисление на тези физични и химични процеси винаги е било гореща тема на изследвания в страната и чужбина.

Процесите на атомизация, изпарение, смесване и горене в горивната камера се развиват и развиват в среда на турбулентен поток, така че потокът е основата за симулация на аеродинамичните характеристики на горивната камера. Основната характеристика на турбулентността е, че параметрите на потока показват произволни пулсации, дължащи се на нелинейния процес на конвекция. Турбулентността съдържа много вихрови структури. Обхватите на различните вихри по дължина и времеви мащаби са огромни и с нарастването на числото на Рейнолдс обхватите между мащабите нарастват рязко. Според дела на турбулентните вихрови структури, които са директно решени, симулация на турбулентност методите се разделят на директна числена симулация (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), симулация на големи вихри (LES) и методи за симулация на смесена турбулентност. Методът RANS, който се използва широко в инженерството, разрешава средното турбулентно поле и използва модел за симулиране на цялата информация за турбулентни пулсации. Сумата за изчисление е малка, но точността е лоша. За силно завихрени и нестабилни процеси на потока в горивната камера RANS не може да отговори на изискванията за усъвършенстван дизайн. Pitsch посочи, че изчислителната сложност на LES е между RANS и DNS и в момента се използва за изчисления на турбулентно горене в неограничени пространства със средни и ниски числа на Рейнолдс. Поради малкия мащаб на турбуленцията в зоната близо до стената на горивната камера и високото число на Рейнолдс на потока, количеството мрежи, необходими за изчисляване на LES само на една глава на горивната камера, е в стотици милиони до милиарди. Такава висока консумация на изчислителни ресурси ограничава широкото използване на LES в симулациите на горивната камера.

Създаването на високопрецизни изчислителни модели и методи, базирани на много големи вихрови симулации (VLES) и хибридни рамки на метода RANS-LES, е важна тенденция в числената симулация. Методът VLES, разработен от Han et al. решава проблема с ниската изчислителна ефективност, причинена от филтриране на мащаба на мрежата и решаване на ограниченията за съвпадение на мащаба на турбулентността в традиционните LES, и реализира моделиране на свързване между многомащабни характеристики на турбулентност, характеристики на преходно развитие и разделителна способност на мрежата. , VLES адаптивно настройва съотношението между решението за турбулентност и моделирането на модела въз основа на характеристиките в реално време на развитието на вихровата структура, като значително намалява изчислителните разходи, като същевременно осигурява точност на изчислението.

Въпреки това, в сравнение с традиционните LES, теорията и характеристиките на VLES не са широко проучени и използвани. Този документ систематично въвежда теорията за моделиране на VLES и нейните ефекти от приложението в различни физически сценарии, свързани с горивни камери, насърчавайки широкомащабното приложение на VLES в областта на симулацията на горивната камера на самолетни двигатели.

Метод за симулация на големи вихри

Влиянието на методите за симулация на турбулентност върху потреблението на изчислителни ресурси и моделите е показано на Фигура 1. Всички методи RANS, LES и VLES постигат симулация на поток чрез моделиране на турбулентност. Трябва да се отбележи, че най-ранната ясна дефиниция на VLES е дадена от Поуп, която се отнася до „мащабът на изчислителната мрежа е твърде груб, така че турбулентната кинетична енергия, директно решена, е по-малко от 80% от общата турбулентна кинетична енергия“. В същото време значението на LES, дадено от Поуп [6], е "изчислителната мрежа е много фина, така че турбулентната кинетична енергия, директно решена, е по-голяма от 80% от общата турбулентна кинетична енергия". Независимо от това, трябва да се отбележи, че VLES, въведен в тази статия, е нов изчислителен метод, който е преработен и разработен на базата на предишния метод. Въпреки че имената са същите, новият метод VLES е съществено различен от метода VLES, дефиниран от Pope. Както може да се види от фигурата, традиционните режими на турбулентност са RANS, URANS, хибридни RANS/LES, LES и DNS по реда на точността на изчислението. Съгласно новата рамка на модела режимите на турбулентност са разделени на RANS, VLES и DNS по реда на точността на изчислението. Това означава, че методът VLES реализира обединяването на множество традиционни режими на турбулентност, а различните модели адаптивно преминават и преобразуват плавно според местните характеристики в действителните изчисления.

Симулация на типични физични процеси в горивната камера

Симулация на много големи вихри на силен завихрен поток

Горивната камера на самолетен двигател обикновено приема форми на организация на полето на потока като многостепенно завихряне и силно завихряне. Вихровият поток е най-основната форма на потока в горивната камера. Тъй като завихрянето е доминиращо както в посоката на потока, така и в тангенциалната посока, турбулентната пулсация на завихрянето има по-силна анизотропия от традиционния тръбен поток, поток в канала и струен поток. Следователно числената симулация на завихряне представлява голямо предизвикателство пред метода за симулация на турбулентност. Xia и др. използва метода VLES за изчисляване на класически пример за силен вихров поток в тръбата; Dellenback и др. [14] проведоха полеви експерименти на потока върху този пример и разполагат с подробни експериментални данни. Числото на Рейнолдс на потока в изчисления пример е 1.0×105 (на базата на диаметъра на кръглата тръба) и числото на завъртане е 1.23. При изчислението се използват два комплекта структурирани мрежи. Общият брой на разредените мрежи (M1) е около 900,000 2, а общият брой на криптираните мрежи (M5.1) е около XNUMX милиона. Резултатите от статистическия момент, получени чрез изчисление, се сравняват допълнително с експерименталните резултати, за да се провери точността на изчислението на метода VLES.

Сравнението на резултатите от изчислението на различни методи и експерименталните резултати на радиалното разпределение на периферната средна скорост и пулсиращата скорост в различни позиции надолу по течението при силен завихрен поток е показано на Фигура 4. На фигурата хоризонталните и вертикалните координати са съответно безразмерно разстояние и безразмерна скорост, където D1 е диаметърът на входящата кръгла тръба, а Uin е входящата средна скорост. Както може да се види от фигурата, полето на потока показва типичен съставен вихър, подобен на Ранкин, постепенно преминаващ към единичен вихър от твърдо тяло. Сравнявайки изчислителните и експерименталните резултати, може да се установи, че методът VLES има висока точност на изчисление за прогнозиране на периферната скорост на силен завихрен поток, което е в добро съответствие с разпределението на експерименталните измервания. Традиционният метод RANS има много голямо отклонение при изчисляването на вихровия поток и не може правилно да предвиди пространствената еволюция на полето на вихровия поток и турбулентните пулсации. За сравнение, методът VLES има много висока точност при прогнозирането на полето на средната скорост, пулсиращото поле на скоростта и пространствената еволюция при сложен силен завихрен поток и все още може да гарантира висока точност на изчислението дори при относително рядка разделителна способност на мрежата. За прогнозиране на периферната средна скорост, резултатите от изчислението на метода VLES са основно последователни при два набора от разредени и плътни разделителни способности на мрежата.

Голяма вихрова симулация на турбулентно горене

За да се проучи осъществимостта на метода VLES при прогнозиране на проблеми с турбулентно горене [15-16], беше разработен модел на турбулентно горене, базиран на метода VLES, съчетан с колектори, генерирани от пламъци (FGM). Основната идея е да се приеме, че турбулентният пламък има локално едномерна ламинарна структура на пламъка и повърхността на турбулентния пламък е средната стойност на ансамбъла от серия от повърхности на ламинарен пламък. Следователно пространството на високоразмерните компоненти може да бъде нанесено на нискоизмерен модел на потока, съставен от няколко характерни променливи (фракция на сместа, променлива за напредъка на реакцията и т.н.). При условие на разглеждане на подробния реакционен механизъм, броят на транспортните уравнения, които трябва да бъдат решени, е значително намален, като по този начин значително се намаляват изчислителните разходи.

Специфичният процес на внедряване е да се конструира ламинарната таблица с данни за FGM въз основа на променливите за фракцията на сместа и хода на реакцията, да се разгледа взаимодействието между турбулентното горене, като се приеме методът на функцията на плътността на вероятността за интегриране на таблицата с ламинарни данни и по този начин да се получи таблицата с турбулентни данни. При численото изчисление се решават транспортните уравнения на фракцията на сместа, променливите за протичане на реакцията и съответната дисперсия, а информацията за полето на горене се получава чрез запитване към таблицата с турбулентни данни.

Моделът на турбулентно горене, базиран на VLES и FGM, беше използван за извършване на числени изчисления на турбулентния струен пламък метан/въздух (Flame D), измерен от лабораторията Sandia в Съединените щати, и бяха направени количествени сравнения с данните от експерименталните измервания. Горивният материал на примера Sandia Flame D (числото на Рейнолдс е 22400) е пълна смес от метан и въздух с обемно съотношение 1:3, скоростта на входа на горивото е около 49.9 m/s, а скоростта на следа е около 11.4 m/s. Дежурният пламък е смес от изгорял метан и въздух, а събуждащият материал е чист въздух. Изчислението използва структурирана мрежа, а общият брой мрежи е около 1.9 милиона.

Разпределението на средната масова част на различните компоненти по оста е показано на Фигура 5. Хоризонталните и вертикалните координати на фигурата са съответно безразмерно разстояние (D2 е диаметърът на входящата струйна тръба) и безразмерна масова фракция. От фигурата може да се види, че прогнозирането на основните компоненти на процеса на горене чрез метода VLES като цяло е в добро съответствие с експерименталните резултати. Разпръснатото разпределение на температурата в различни позиции надолу по веригата в пространството на фракцията на сместа е показано на Фигура 6. От фигурата може да се види, че тенденцията на разпръснато разпределение, предвидена от метода VLES, е основно в съответствие с експерименталните резултати и само изчислената екстремна стойност на температурата е малко по-висока от експерименталната стойност. Разпределението на моментната функция за контрол на завихрянето, температурата и разделителната способност, изчислено от VLES, е показано на фигура 7, където плътната линия е взета като Zst=0.351. От фигурата може да се види, че зоната на сърцевината на струята показва силна турбулентна пулсация и тъй като полето на потока се развива надолу по течението, мащабът на вихровата структура постепенно се увеличава. Както може да се види от Фигура 7 (b) и (c), в повечето химически реакционни области функцията за контрол на разделителната способност е между 0 и 1, което показва, че локалната разделителна способност на мрежата може да улови широкомащабна турбуленция и да симулира само малка турбуленция чрез модела. По това време VLES се държи като режим на решение за приблизителна симулация на големи вихри. В слоя на срязване на струята и външния ръб на пламъка надолу по течението функцията за контрол на разделителната способност е близка до 1, което показва, че пресеченият мащаб на филтъра на изчислителната мрежа е по-голям от мащаба на местната турбулентност. По това време VLES се държи като режим на нестабилно средно решение на Рейнолдс. В обобщение може да се види, че методът VLES може да реализира трансформацията на множество режими на решение за турбулентност според характеристиките в реално време на развитието на вихровата структура и може точно да предвиди нестационарния процес на горене в турбулентни пламъци.

Голяма вихрова симулация на целия процес на атомизация

По-голямата част от горивото, използвано в горивната камера на двигателя на самолета, е течно гориво. Течното гориво навлиза в горивната камера и претърпява процеси на първична пулверизация и вторична пулверизация. Има много трудности при симулирането на пълния процес на атомизация на течното гориво, включително улавянето на двуфазната топологична интерфейсна конфигурация на газ-течност, деформация и разкъсване на течен стълб, еволюция на разпадане на течни ленти и течни нишки в капчици и взаимодействието между турбулентния поток и капчиците. Huang Ziwei [19] разработи пълен симулационен модел на процеса на атомизация, базиран на метода VLES, съчетан с метода за изчисляване на хибридна атомизация VOFDPM, реализирайки цифрова симулация на пълен процес на атомизация на гориво от непрекъсната течност до дискретни капчици.

Беше използван новоразработен симулационен модел на процес на пулверизиране за извършване на високоточни числени изчисления на класическия процес на пулверизиране на течен колонен страничен поток и беше направено подробно сравнение с експерименталните резултати в откритата литература [20] и резултатите от изчисленията за големи вихрови симулации [21]. В примера за изчисление газовата фаза е въздух със скорости съответно 77.89 и 110.0 m/s, а течната фаза е течна вода със скорост 8.6 m/s. Съответните числа на Вебер са съответно 100 и 200. За да се симулира по-добре вторичният процес на разпадане, моделът на разпадане приема модела на Келвин-Хелмхолц и Рейли-Тейлър (KHRT).

Пълният процес на атомизация, предсказан от VLES при условие на Weber номер 100, е показан на Фигура 8. Както може да се види от фигурата, в първоначалната област се образува тънък лист от течна колона и след това течната колона се разпада на течни ленти и течни нишки и се разпада на капчици под действието на аеродинамична сила, а капчиците допълнително се разбиват на по-малки капчици чрез вторично разпадане. Скоростта на потока и разпределението на завихрянето по дължината на обхвата, изчислени от VLES при условието на числото на Вебер 100, са показани на Фигура 9. Както може да се види от фигурата, има типична нискоскоростна рециркулационна зона от подветрената страна на течния стълб. От моментното разпределение на завихрянето може да се установи, че подветрената страна на течния стълб показва силна вихрова структура, а силното турбулентно движение в нискоскоростната рециркулационна зона допринася за разкъсването на листа от течния стълб и образуването на капчици.

Съотношението на първоначалния диаметър на струята към минималния размер на потока на течната струя, когато колоната от течност започне да се разпада при различни числа на Вебер, е показано на Фигура 10. На фигурата di е минималният размер на потока на течната струя, когато течният стълб започне да се разпада, а D3 е първоначалният диаметър на течната струя. От фигурата може да се види, че резултатите от изчислението на VLES са в добро съгласие с експерименталните резултати, които са по-добри от резултатите от изчислението на големи вихрови симулации в литературата [21].

Симулация на много голяма вихрова нестабилност при горене

За да отговорят на изискванията за ниски емисии, горивните камери на гражданските самолети обикновено са проектирани с предварително смесено или частично предварително смесено бедно изгаряне. Обаче обедненото предварително смесено горене има лоша стабилност и е склонно да възбужда термоакустични свързани трептения на режими на горене, което води до нестабилност на горенето. Нестабилността при горене е силно разрушителна и може да бъде придружена от проблеми като обратна реакция и деформация на твърдо вещество, което е важен проблем, пред който е изправен дизайнът на горивната камера.

Численото изчисляване на нестабилността на горенето може да бъде разделено на две категории: метод на отделяне и метод на директно свързване. Отделеният метод за прогнозиране на нестабилността на горенето разделя нестационарното горене и акустичните решения. Нестабилното горене изисква голям брой цифрови изчислителни проби за изграждане на надеждна функция за описание на пламъка. Ако се използва методът за изчисление на симулация на големи вихри, потреблението на изчислителни ресурси е твърде голямо. Методът за изчисление на директното свързване се основава на метода на свиваем разтвор и директно получава резултата от нестабилността на горенето чрез високо прецизно нестабилно изчисление, тоест процесът на изчисление на свързването на нестационарно горене и акустика при дадени работни условия е завършен наведнъж в рамките на една и съща изчислителна рамка.

В изследването на числената симулация на отделянето на нестабилността на горенето, Huang et al. [27] разработиха модел за изчисляване на нестабилността на горене, базиран на метода VLES, съчетан с метода за изчисляване на удебеляващ пламък, и постигнаха точно предсказване на нестационарния процес на горене при акустично възбуждане. Примерът за изчисление е неподвижен напълно предварително смесен пламък от етилен/въздух с тъпо тяло, разработен от Кеймбриджкия университет, с коефициент на еквивалентност 0.55 и число на Рейнолдс около 17000. Сравнението между резултатите от изчислението на VLES и експерименталните резултати на динамичните характеристики на нестабилния пламък при акустично възбуждане е показано на фигура 12. От фигурата може да се види, че по време на входа процес на възбуждане, пламъкът се преобръща във вътрешния и външния срязващ слой и се развива в противоположно въртяща се вихрова двойка. В този процес еволюцията на профила на пламъка с форма на гъба продължава да се развива с промяната на фазовия ъгъл. Резултатите от изчислението на VLES възпроизвеждат добре характеристиките на развитието на пламъка, наблюдавани в експеримента. Сравнението на амплитудата и фазовата разлика на реакцията на скоростта на отделяне на топлина при акустично възбуждане от 160 Hz, получена чрез различни изчислителни методи и експериментални измервания, е показано на фигура 13. На фигурата Q' и Q͂ са съответно пулсиращото топлоотделяне и средното топлоотделяне при горене, A е амплитудата на синусоидалното акустично възбуждане, а ординатата на Фигура 13 (b) е фазовата разлика между преходния сигнал за топлоотделяне на горене при акустично възбуждане и сигнала за възбуждане на входната скорост. Както може да се види от фигурата, точността на прогнозиране на метода VLES е сравнима с точността на симулацията на големи вихри [28] и двете са в добро съответствие с експерименталните стойности. Въпреки че нестационарният RANS метод прогнозира тенденцията на нелинейна реакция, изчислените количествени резултати се отклоняват значително от експерименталните стойности. За резултатите от фазовата разлика (Фигура 13 (b)), тенденцията на фазовата разлика, предвидена от метода VLES с амплитудата на смущението, е основно в съответствие с експерименталните резултати, докато резултатите от симулацията на големи вихри не прогнозират добре горната тенденция.