Pokrok ve výzkumu aerodynamického výkonu spalovací komory leteckého motoru na základě simulace velkých vírů

Pokrok ve výzkumu aerodynamického výkonu spalovací komory leteckého motoru na základě simulace velkých vírů

Spalovací komora je jednou ze základních součástí leteckého motoru a aerodynamický výkon spalovací komory hraje zásadní roli ve výkonu celého motoru. Aby byly splněny stále přísnější technické požadavky motoru na spalovací komoru, staly se režim organizace spalování a charakteristiky proudění uvnitř spalovací komory velmi složité. Proces zpomalování a tlakování difuzoru může čelit separaci proudění při silném nepříznivém tlakovém gradientu; proud vzduchu prochází vícestupňovým vířivým zařízením za vzniku rozsáhlé vírové struktury, která na jedné straně podporuje atomizaci a vypařování kapalného paliva a vytváří s palivem silně pulzující nestabilní směs a na druhé straně vytváří stacionární plamen v aerodynamické recirkulační zóně; vícenásobné proudy hlavního spalovacího/směšovacího otvoru interagují s bočním prouděním v plamence a vytvářejí protiběžně se otáčející vírový pár, který má důležitý vliv na turbulentní míchání. Na základě proudění jsou silně propojeny víceúrovňové fyzikální a chemické procesy, jako je atomizace a odpařování, míchání, chemická reakce a interakce mezi turbulencí a plamenem, které společně určují aerodynamické vlastnosti spalovací komory. Vysoce přesné modelování a výpočty těchto fyzikálních a chemických procesů byly vždy horkým tématem výzkumu doma i v zahraničí.

Procesy atomizace, odpařování, míchání a spalování ve spalovací komoře se vyvíjejí a vyvíjejí v prostředí turbulentního proudění, takže proudění je základem pro simulaci aerodynamického výkonu spalovací komory. Základní charakteristikou turbulence je, že parametry proudění vykazují náhodné pulzace v důsledku procesu nelineární konvekce. Turbulence obsahuje mnoho vírových struktur. Rozpětí různých vírů v délkách a časových měřítcích jsou obrovská a jak se Reynoldsovo číslo zvyšuje, rozpětí mezi měřítky se prudce zvětšuje. Podle podílu turbulentních vírových struktur, které jsou přímo řešeny, simulace turbulence metody se dělí na metody přímé numerické simulace (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), simulace velkých vírů (LES) a metody simulace smíšené turbulence. Metoda RANS, která je široce používána ve strojírenství, řeší turbulentní střední pole a využívá model k simulaci všech informací o turbulentních pulzacích. Částka výpočtu je malá, ale přesnost je špatná. Pro silné víření a nestabilní proudění ve spalovací komoře nemůže RANS splnit požadavky rafinovaného designu. Pitsch poukázal na to, že výpočetní složitost LES je mezi RANS a DNS a v současnosti se používá pro výpočty turbulentního spalování v neomezených prostorech se středními a nízkými Reynoldsovými čísly. Vzhledem k malému rozsahu turbulencí v oblasti u stěny spalovací komory a vysokému Reynoldsovu číslu proudění se množství mřížek potřebných pro výpočet LES jedné hlavy spalovací komory samotné pohybuje ve stovkách milionů až miliardách. Taková vysoká spotřeba výpočetních zdrojů omezuje široké použití LES v simulacích spalovací komory.

Zavedení vysoce přesných výpočtových modelů a metod založených na rámcích Very Large Eddy Simulation (VLES) a Hybrid RANS-LES Method je důležitým trendem v numerické simulaci. Metoda VLES vyvinutá Hanem et al. řeší problém nízké výpočetní účinnosti způsobené filtrováním měřítka mřížky a řešením omezení přizpůsobení měřítka turbulence v tradičních LES a realizuje modelování propojení mezi charakteristikami turbulence ve více měřítcích, charakteristikami přechodného vývoje a rozlišením mřížky. VLES adaptivně upravuje poměr mezi řešením turbulence a modelováním modelu na základě charakteristik vývoje vírové struktury v reálném čase, čímž výrazně snižuje náklady na výpočet a zároveň zajišťuje přesnost výpočtu.

Nicméně, ve srovnání s tradičními LES, teorie a charakteristiky VLES nebyly široce studovány a používány. Tento článek systematicky představuje teorii modelování VLES a její aplikační efekty v různých fyzikálních scénářích souvisejících se spalovacími komorami, čímž podporuje rozsáhlou aplikaci VLES v oblasti simulace spalovacích komor leteckých motorů.

Metoda simulace velkých víří

Vliv metod simulace turbulence na výpočetní spotřebu zdrojů a modely je znázorněn na obrázku 1. Všechny metody RANS, LES a VLES dosahují simulace proudění prostřednictvím modelování turbulence. Je třeba poznamenat, že první jasnou definici VLES dal Pope, která odkazuje na „měřítko výpočetní mřížky je příliš hrubé, takže přímo řešená turbulentní kinetická energie je menší než 80 % celkové kinetické turbulentní energie“. Přitom význam LES daný Popeem [6] je „výpočetní mřížka je velmi jemná, takže přímo řešená turbulentní kinetická energie je větší než 80 % celkové kinetické turbulentní energie“. Nicméně je třeba poznamenat, že VLES představený v tomto článku je novou výpočetní metodou, která byla přemodelována a vyvinuta na základě předchozí metody. Přestože jsou názvy stejné, nová metoda VLES se podstatně liší od metody VLES definované papežem. Jak je vidět z obrázku, tradiční režimy turbulence jsou RANS, URANS, hybridní RANS/LES, LES a DNS v pořadí podle přesnosti výpočtu. V rámci nového modelového rámce jsou režimy turbulence rozděleny na RANS, VLES a DNS v pořadí podle přesnosti výpočtu. To znamená, že metoda VLES realizuje sjednocení několika tradičních režimů turbulence a různé modely se přizpůsobují a plynule přecházejí podle místních charakteristik ve skutečných výpočtech.

Simulace typických fyzikálních procesů ve spalovací komoře

Velmi velká vířivá simulace silného vířivého proudění

Spalovací komora leteckého motoru obvykle přijímá formy organizace proudového pole, jako je vícestupňové víření a silné víření. Vírivé proudění je nejzákladnější formou proudění ve spalovací komoře. Protože víření je dominantní jak ve směru toku, tak v tangenciálním směru, má turbulentní pulsace víření silnější anizotropii než tradiční tok potrubím, kanálem a prouděním. Proto numerická simulace víření představuje velkou výzvu pro metodu simulace turbulence. Xia a kol. použil metodu VLES k výpočtu klasického příkladu silného vířivého proudění v trubici; Dellenback a kol. [14] provedli na tomto příkladu experimenty s prouděním a mají k dispozici podrobné experimentální údaje. Průtokové Reynoldsovo číslo vypočteného příkladu je 1.0×105 (na základě průměru kruhové trubky) a číslo víru je 1.23. Při výpočtu jsou použity dvě sady strukturovaných sítí. Celkový počet řídkých mřížek (M1) je asi 900,000 2 a celkový počet šifrovaných mřížek (M5.1) je asi XNUMX milionu. Výsledky statistického momentu získané výpočtem jsou dále porovnávány s experimentálními výsledky pro ověření přesnosti výpočtu metody VLES.

Porovnání výsledků výpočtů různých metod a experimentálních výsledků radiálního rozložení obvodové průměrné rychlosti a pulsační rychlosti v různých polohách po proudu při silném vířivém proudění je znázorněno na obrázku 4. Na obrázku jsou horizontální a vertikální souřadnice bezrozměrná vzdálenost a bezrozměrná rychlost, kde D1 je průměr vstupní kruhové trubky a Uin je průměrná rychlost vstupu. Jak je vidět z obrázku, proudové pole ukazuje typický Rankinův složený vír postupně přecházející do jediného tuhého tělesného víru. Porovnáním výpočtu a experimentálních výsledků lze zjistit, že metoda VLES má vysokou přesnost výpočtu pro predikci obvodové rychlosti silného vířivého proudění, což je v dobré shodě s rozložením experimentálních měření. Tradiční metoda RANS má velmi velkou odchylku ve výpočtu vířivého proudění a nedokáže správně předpovědět prostorový vývoj pole vířivého proudění a turbulentní pulsace. Ve srovnání s tím má metoda VLES velmi vysokou přesnost v predikci průměrného rychlostního pole, pulzujícího rychlostního pole a prostorového vývoje při komplexním silném vířivém toku a stále může zaručit vysokou přesnost výpočtu i při relativně řídkém rozlišení mřížky. Pro predikci průměrné obvodové rychlosti jsou výsledky výpočtu metody VLES v zásadě konzistentní při dvou sadách rozlišení řídké a husté mřížky.

Velká vířivá simulace turbulentního spalování

Aby bylo možné studovat proveditelnost metody VLES při predikci problémů turbulentního spalování [15-16], byl vyvinut model turbulentního spalování založený na metodě VLES spojený s potrubím generovaným plamenem (FGM). Základní myšlenkou je předpokládat, že turbulentní plamen má lokálně jednorozměrnou strukturu laminárního plamene a povrch turbulentního plamene je souborovým průměrem řady povrchů laminárního plamene. Proto může být prostor vysokorozměrných složek mapován na nízkorozměrný proudový vzor složený z několika charakteristických proměnných (frakce směsi, proměnná průběhu reakce atd.). Za podmínky zvážení podrobného reakčního mechanismu je počet transportních rovnic, které mají být řešeny, značně snížen, čímž se výrazně snižují výpočetní náklady.

Konkrétním implementačním procesem je zkonstruovat FGM tabulku laminárních dat na základě proměnných podílu směsi a průběhu reakce, zvážit interakci mezi turbulentním spalováním za předpokladu, že metoda hustoty pravděpodobnosti integruje tabulku laminárních dat, a tak získat tabulku turbulentních dat. V numerickém výpočtu se řeší transportní rovnice frakce směsi, proměnné průběhu reakce a odpovídající rozptyl a informace o spalovacím poli se získá dotazem na tabulku turbulentních dat.

Model turbulentního spalování založený na VLES a FGM byl použit k provedení numerických výpočtů turbulentního tryskového plamene metan/vzduch (Flame D) měřeného laboratoří Sandia ve Spojených státech a byla provedena kvantitativní srovnání s experimentálními naměřenými daty. Palivovým materiálem příkladu Sandia Flame D (Reynoldsovo číslo je 22400) je kompletní směs metanu a vzduchu s objemovým poměrem 1:3, rychlost přívodu paliva je asi 49.9 m/s a rychlost probuzení je asi 11.4 m/s. Pracovní plamen je směsí spáleného metanu a vzduchu a materiálem probuzení je čistý vzduch. Výpočet využívá strukturovanou mřížku a celkový počet mřížek je asi 1.9 milionu.

Rozložení průměrného hmotnostního zlomku různých složek podél osy je znázorněno na obrázku 5. Horizontální a vertikální souřadnice na obrázku jsou bezrozměrná vzdálenost (D2 je průměr vstupní trubky paprsku) a bezrozměrný hmotnostní zlomek. Z obrázku je vidět, že předpověď hlavních složek spalovacího procesu metodou VLES je obecně v dobré shodě s experimentálními výsledky. Rozptýlené rozložení teploty v různých polohách po proudu v prostoru frakcí směsi je znázorněno na obrázku 6. Z obrázku je vidět, že trend rozptýleného rozložení predikovaný metodou VLES je v zásadě konzistentní s experimentálními výsledky a pouze vypočtená hodnota teplotního extrému je mírně vyšší než experimentální hodnota. Rozdělení funkce řízení okamžité vířivosti, teploty a rozlišení vypočítané pomocí VLES je znázorněno na obrázku 7, kde plná čára je brána jako Zst=0.351. Z obrázku je vidět, že oblast jádrového paprsku vykazuje silnou turbulentní pulsaci a jak se proudové pole vyvíjí po proudu, měřítko vírové struktury se postupně zvětšuje. Jak je vidět z obrázku 7 (b) a (c), ve většině oblastí chemických reakcí je funkce řízení rozlišení mezi 0 a 1, což naznačuje, že místní rozlišení mřížky může zachytit turbulence ve velkém měřítku a pouze simulovat turbulence v malém měřítku prostřednictvím modelu. V tomto okamžiku se VLES chová jako přibližný režim řešení simulace velkých vírů. Ve smykové vrstvě paprsku a na vnějším okraji plamene po proudu je funkce řízení rozlišení blízká 1, což ukazuje, že zkrácená filtrační stupnice výpočetní mřížky je větší než místní stupnice turbulence. V tomto okamžiku se VLES chová jako nestabilní režim průměrného Reynoldsova řešení. V souhrnu lze vidět, že metoda VLES může realizovat transformaci více režimů řešení turbulence podle charakteristik vývoje vírové struktury v reálném čase a může přesně předpovídat nestabilní proces spalování v turbulentních plamenech.

Velká vířivá simulace celého procesu atomizace

Většina paliva používaného ve spalovací komoře leteckého motoru je kapalné palivo. Kapalné palivo vstupuje do spalovací komory a prochází procesy primární atomizace a sekundární atomizace. Při simulaci úplného procesu rozprašování kapalného paliva existuje mnoho obtíží, včetně zachycení konfigurace dvoufázového topologického rozhraní plyn-kapalina, deformace a prasknutí sloupce kapaliny, vývoje rozpadu pásů kapaliny a kapalných vláken do kapiček a interakce mezi turbulentním prouděním a kapkami. Huang Ziwei [19] vyvinul kompletní model simulace procesu atomizace založený na metodě VLES spojený s metodou výpočtu hybridní atomizace VOFDPM, realizující plně procesní numerickou simulaci atomizace paliva od spojité kapaliny po diskrétní kapičky.

Nově vyvinutý model simulace procesu atomizace byl použit k provedení vysoce přesných numerických výpočtů klasického procesu atomizace kapalinové kolony s bočním prouděním a bylo provedeno podrobné srovnání s experimentálními výsledky v otevřené literatuře [20] a výsledky výpočtů velké vířivé simulace [21]. V příkladu výpočtu je plynnou fází vzduch s rychlostmi 77.89 a 110.0 m/s a kapalnou fází je kapalná voda s rychlostí 8.6 m/s. Odpovídající Weberova čísla jsou 100 a 200. Aby bylo možné lépe simulovat proces sekundárního rozpadu, model rozpadu využívá Kelvin-Helmholtzův a Rayleigh-Taylorův (KHRT) model.

Kompletní atomizační proces předpovídaný VLES za podmínky Weberova čísla 100 je znázorněn na obrázku 8. Jak je vidět z obrázku, v počáteční oblasti se vytvoří tenká vrstva sloupce kapaliny a poté se sloupec kapaliny rozpadne na kapalné pásy a kapalná vlákna a rozbije se na kapičky působením aerodynamické síly a kapičky se dále rozbijí na menší kapičky prostřednictvím sekundárního rozpadu. Rychlost proudu a rozložení vířivosti po rozpětí vypočtené VLES za podmínky Weberova čísla 100 jsou znázorněny na obrázku 9. Jak je z obrázku patrné, na závětrné straně sloupce kapaliny je typická zóna nízké rychlosti recirkulace. Z okamžitého rozdělení vířivosti lze zjistit, že závětrná strana sloupce kapaliny vykazuje silnou vířivou strukturu a silný turbulentní pohyb v zóně nízkorychlostní recirkulace přispívá k prasknutí vrstvy sloupce kapaliny a tvorbě kapiček.

Poměr počátečního průměru paprsku k minimálnímu rozměru toku paprsku kapaliny, když se sloupec kapaliny začíná rozpadat pod různými Weberovými čísly, je znázorněn na obrázku 10. Na obrázku je di minimální rozměr toku paprsku kapaliny, když se sloupec kapaliny začíná rozpadat, a D3 je počáteční průměr paprsku kapaliny. Z obrázku je vidět, že výsledky výpočtu VLES jsou v dobré shodě s experimentálními výsledky, které jsou lepší než výsledky výpočtů velké vířivé simulace v literatuře [21].

Simulace velmi velké vířivé nestability spalování

Aby byly splněny požadavky na nízké emise, spalovací komory civilních letadel jsou obvykle navrženy s předmíchaným nebo částečně předmíchaným spalováním chudé směsi. Předmíchané spalování chudé směsi má však špatnou stabilitu a je náchylné k vybuzení režimů spalování s termoakustickou spřaženou oscilací, což vede k nestabilitě spalování. Nestabilita spalování je vysoce destruktivní a může být doprovázena problémy, jako je zpětný vzplanutí a deformace pevných látek, což je významný problém, kterému čelí konstrukce spalovací komory.

Numerický výpočet nestability spalování lze rozdělit do dvou kategorií: metoda decoupling a metoda přímé vazby. Metoda předpovědi nestability spalování odděluje nestabilní spalování a akustická řešení. Nestacionární spalování vyžaduje velký počet vzorků numerických výpočtů pro vytvoření spolehlivé funkce popisu plamene. Pokud je použita metoda výpočtu simulace velkých vířivých proudů, je spotřeba výpočetních zdrojů příliš velká. Metoda výpočtu přímé vazby je založena na metodě stlačitelného roztoku a přímo získává výsledek nestability spalování prostřednictvím vysoce přesného nestabilního výpočtu, to znamená, že proces výpočtu vazby nestabilního spalování a akustiky za daných pracovních podmínek je dokončen najednou ve stejném výpočtovém rámci.

Při studiu numerické simulace decouplingu nestability spalování Huang et al. [27] vyvinuli model výpočtu nestability spalování založený na metodě VLES ve spojení s metodou výpočtu houstnoucího plamene a dosáhli přesné predikce nestacionárního procesu spalování při akustickém buzení. Příkladem výpočtu je tupý stacionární plamen plně předmísený etylen/vzduch vyvinutý Cambridgeskou univerzitou, s poměrem ekvivalence 0.55 a Reynoldsovým číslem asi 17000 12. Porovnání výsledků výpočtu VLES a experimentálních výsledků dynamických charakteristik nestabilního plamene při akustickém buzení je znázorněno na obrázku 160. Na vnitřním procesu je vidět na vnitřním procesu buzení a buzení během vnějšího svitu vrstvy a vyvine se v protiběžně rotující vírový pár. V tomto procesu se vývoj profilu plamene ve tvaru houby nadále vyvíjí se změnou fázového úhlu. Výsledky výpočtu VLES dobře reprodukují charakteristiky vývoje plamene pozorované v experimentu. Porovnání amplitudy a fázového rozdílu odezvy rychlosti uvolňování tepla při akustickém buzení 13 Hz získané různými výpočetními metodami a experimentálními měřeními je znázorněno na obrázku XNUMX. Na obrázku Q' a Q͂ jsou pulzující uvolňování tepla a průměrné uvolňování tepla spalováním, A je amplituda sinusového akustického buzení a pořadnice na obrázku 13 (b) je fázový rozdíl mezi přechodným signálem uvolňování tepla spalováním při akustickém buzení a signálem buzení vstupní rychlosti. Jak je vidět z obrázku, přesnost předpovědi metody VLES je srovnatelná s přesností simulace velkých vírů [28] a obě jsou v dobré shodě s experimentálními hodnotami. Přestože nestabilní metoda RANS předpovídá trend nelineární odezvy, vypočítané kvantitativní výsledky se značně odchylují od experimentálních hodnot. Pro výsledky fázového rozdílu (obrázek 13 (b)) je trend fázového rozdílu předpovězený metodou VLES s amplitudou rušení v zásadě konzistentní s experimentálními výsledky, zatímco výsledky simulace velkých vířivých proudů nepředpovídají výše uvedený trend dobře.