Forskningsfremskridt i aerodynamisk ydeevne af flymotorers forbrændingskammer baseret på simulering af store hvirvelstrømme

Forskningsfremskridt i aerodynamisk ydeevne af flymotorers forbrændingskammer baseret på simulering af store hvirvelstrømme

Forbrændingskammeret er en af ​​kernekomponenterne i en flymotor, og forbrændingskammerets aerodynamiske ydeevne spiller en afgørende rolle for hele motorens ydeevne. For at opfylde de stadigt strengere tekniske krav til motoren til forbrændingskammeret er forbrændingsorganiseringstilstanden og strømningsegenskaberne inde i forbrændingskammeret blevet meget komplekse. Decelerationen og tryksætningsprocessen for diffusoren kan stå over for strømningsadskillelse under en stærk negativ trykgradient; luftstrømmen passerer gennem en flertrins hvirvelanordning for at danne en hvirvelstruktur i stor skala, som på den ene side fremmer forstøvningen og fordampningen af ​​det flydende brændstof og danner en stærkt pulserende, ustabil blanding med brændstoffet, og på den anden side genererer en stationær flamme i den aerodynamiske recirkulationszone; de multiple stråler i hovedforbrændings-/blandingshullet interagerer med sidestrømmen i flammerøret og danner et modsat roterende hvirvelpar, som har en vigtig indflydelse på turbulent blanding. På basis af flow er multi-skala fysiske og kemiske processer såsom forstøvning og fordampning, blanding, kemisk reaktion og interaktion mellem turbulens og flamme stærkt koblet, som i fællesskab bestemmer forbrændingskammerets aerodynamiske egenskaber. Højpræcisionsmodellering og beregning af disse fysiske og kemiske processer har altid været et varmt emne for forskning i ind- og udland.

Forstøvnings-, fordampnings-, blandings- og forbrændingsprocesserne i forbrændingskammeret udvikler sig og udvikler sig i et turbulent strømningsmiljø, så flow er grundlaget for simuleringen af ​​forbrændingskammerets aerodynamiske ydeevne. Det grundlæggende kendetegn ved turbulens er, at flowparametrene viser tilfældig pulsering på grund af den ikke-lineære konvektionsproces. Turbulens indeholder mange hvirvelstrukturer. Spændene af forskellige hvirvler i længde- og tidsskalaer er enorme, og efterhånden som Reynolds-tallet stiger, øges spændene mellem skalaerne kraftigt. I henhold til andelen af ​​turbulente hvirvelstrukturer, der er direkte løst, turbulenssimulering metoderne er opdelt i direkte numerisk simulering (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), simulering af store hvirvelstrømme (LES) og simulering af blandet turbulens. RANS-metoden, som er meget udbredt i teknik, løser det turbulente middelfelt og bruger en model til at simulere al turbulent pulsationsinformation. Beregningsbeløbet er lille, men nøjagtigheden er ringe. For stærk hvirvel og ustabile flowprocesser i forbrændingskammeret kan RANS ikke opfylde kravene til raffineret design. Pitsch påpegede, at den beregningsmæssige kompleksitet af LES ligger mellem RANS og DNS og i øjeblikket bruges til turbulente forbrændingsberegninger i ubegrænsede rum med mellemstore og lave Reynolds-tal. På grund af den lille skala af turbulens i forbrændingskammerets nærvægsområde og flowets høje Reynolds-tal, er mængden af ​​gitter, der kræves til LES-beregning af et enkelt hoved af forbrændingskammeret alene i hundreder af millioner til milliarder. Et sådant højt beregningsressourceforbrug begrænser den udbredte brug af LES i forbrændingskammersimuleringer.

Etableringen af ​​højpræcisionsberegningsmodeller og -metoder baseret på Very Large Eddy Simulation (VLES) og Hybrid RANS-LES Method frameworks er en vigtig trend inden for numerisk simulering. VLES-metoden udviklet af Han et al. løser problemet med lav beregningseffektivitet forårsaget af filtrering af gitterskala og løsning af turbulensskalatilpasningsbegrænsninger i traditionelle LES, og realiserer koblingsmodellering mellem turbulens multi-skala karakteristika, transient evolution karakteristika og gitter opløsning. , VLES justerer adaptivt forholdet mellem turbulensløsning og modelmodellering baseret på realtidskarakteristikaene for hvirvelstrukturens udvikling, hvilket reducerer beregningsomkostningerne betydeligt og sikrer samtidig beregningsnøjagtighed.

Ikke desto mindre, sammenlignet med traditionel LES, er teorien og karakteristika ved VLES ikke blevet undersøgt og brugt i vid udstrækning. Denne artikel introducerer systematisk modelleringsteorien om VLES og dens anvendelseseffekter i forskellige fysiske scenarier relateret til forbrændingskamre, hvilket fremmer den storstilede anvendelse af VLES inden for simulering af flymotorers forbrændingskammer.

Large Eddy Simulation Method

Turbulenssimuleringsmetodernes indflydelse på beregning af ressourceforbrug og modeller er vist i figur 1. RANS, LES og VLES metoder opnår alle flowsimulering gennem turbulensmodellering. Det skal bemærkes, at den tidligste klare definition af VLES blev givet af Pope, som refererer til "beregningsnetskalaen er for grov, således at den turbulente kinetiske energi direkte løst er mindre end 80% af den samlede turbulente kinetiske energi". Samtidig er betydningen af ​​LES givet af Pope [6] "beregningsgitteret er meget fint, så den turbulente kinetiske energi direkte løst er større end 80% af den totale turbulente kinetiske energi". Ikke desto mindre skal det bemærkes, at VLES introduceret i denne artikel er en ny beregningsmetode, der er blevet ombygget og udviklet på basis af den tidligere metode. Selvom navnene er de samme, er den nye VLES-metode væsentligt forskellig fra VLES-metoden defineret af Pope. Som det kan ses af figuren, er de traditionelle turbulenstilstande RANS, URANS, hybrid RANS/LES, LES og DNS i rækkefølge efter beregningsnøjagtighed. Under den nye modelramme er turbulenstilstandene opdelt i RANS, VLES og DNS i rækkefølge efter beregningsnøjagtighed. Det vil sige, at VLES-metoden realiserer foreningen af ​​flere traditionelle turbulenstilstande, og forskellige modeller tilpasser sig og konverterer jævnt i henhold til lokale karakteristika i faktiske beregninger.

Simulering af typiske fysiske processer i forbrændingskammeret

Meget stor hvirvelsimulering af stærkt hvirvlende flow

Forbrændingskammeret i en flymotor anvender normalt strømningsfeltorganiseringsformer såsom flertrins hvirvel og stærk hvirvel. Swirl flow er den mest basale flowform i forbrændingskammeret. Da hvirvel er dominerende i både strømningsretningen og tangentialretningen, har den turbulente pulsering af hvirvel stærkere anisotropi end traditionel rørstrøm, kanalstrømning og jetstrøm. Derfor udgør den numeriske simulering af hvirvel en stor udfordring for turbulenssimuleringsmetoden. Xia et al. brugte VLES-metoden til at beregne det klassiske stærk swirl flow eksempel i røret; Dellenback et al. [14] udførte flow felteksperimenter på dette eksempel og har detaljerede eksperimentelle data. Flow Reynolds-tallet i det beregnede eksempel er 1.0×105 (baseret på diameteren af ​​det cirkulære rør) og hvirveltallet er 1.23. To sæt strukturerede gitter bruges i beregningen. Det samlede antal sparsomme gitre (M1) er omkring 900,000 og det samlede antal krypterede gitre (M2) er omkring 5.1 millioner. De statistiske momentresultater opnået ved beregning sammenlignes yderligere med de eksperimentelle resultater for at verificere beregningsnøjagtigheden af ​​VLES-metoden.

Sammenligningen af ​​beregningsresultaterne for forskellige metoder og de eksperimentelle resultater af den radiale fordeling af den periferiske gennemsnitshastighed og pulserende hastighed ved forskellige nedstrømspositioner under kraftig hvirvlende strømning er vist i figur 4. På figuren er de vandrette og lodrette koordinater henholdsvis dimensionsløs afstand og dimensionsløs hastighed, hvor D1 er diameteren af ​​cirkulært rør og inlet er diameteren af ​​cirkulært rør og inlet. Som det kan ses af figuren, viser strømningsfeltet en typisk Rankin-lignende sammensat hvirvel, der gradvist går over til en enkelt stiv kropshvirvel. Ved at sammenligne beregnings- og eksperimentelle resultater kan det konstateres, at VLES-metoden har en høj beregningsnøjagtighed til forudsigelse af omkredshastigheden af ​​stærk hvirvlende strømning, hvilket er i god overensstemmelse med fordelingen af ​​eksperimentelle målinger. Den traditionelle RANS-metode har en meget stor afvigelse i beregningen af ​​hvirvelstrømning og kan ikke korrekt forudsige den rumlige udvikling af hvirvelstrømningsfeltet og turbulent pulsering. Til sammenligning har VLES-metoden en meget høj nøjagtighed i forudsigelsen af ​​middelhastighedsfeltet, pulserende hastighedsfelt og rumlig evolution under kompleks stærk hvirvlende strømning, og kan stadig garantere en høj beregningsnøjagtighed selv ved en relativt sparsom gitteropløsning. Til forudsigelsen af ​​den perifere gennemsnitlige hastighed er beregningsresultaterne af VLES-metoden grundlæggende konsistente ved to sæt sparsomme og tætte gitteropløsninger.

Stor hvirvelsimulering af turbulent forbrænding

For at studere gennemførligheden af ​​VLES-metoden til at forudsige turbulente forbrændingsproblemer [15-16] blev der udviklet en turbulent forbrændingsmodel baseret på VLES-metoden koblet med flamelet-genererede manifolds (FGM). Den grundlæggende idé er at antage, at den turbulente flamme lokalt har en endimensionel laminær flammestruktur, og den turbulente flammeoverflade er ensemblegennemsnittet af en række laminære flammeoverflader. Derfor kan det højdimensionelle komponentrum kortlægges til et lavdimensionelt strømningsmønster sammensat af flere karakteristiske variable (blandingsfraktion, reaktionsforløbsvariabel osv.). Under forudsætning af at overveje den detaljerede reaktionsmekanisme, reduceres antallet af transportligninger, der skal løses, kraftigt, hvilket reducerer beregningsomkostningerne betydeligt.

Den specifikke implementeringsproces er at konstruere den laminære FGM-datatabel baseret på blandingsfraktionen og reaktionsfremskridtsvariablerne, overveje interaktionen mellem turbulent forbrænding ved at antage sandsynlighedsdensitetsfunktionsmetoden for at integrere den laminære datatabel og dermed opnå den turbulente datatabel. I den numeriske beregning løses transportligningerne for blandingsfraktionen, reaktionsforløbsvariabler og den tilsvarende varians, og forbrændingsfeltinformationen opnås ved at forespørge i den turbulente datatabel.

Den turbulente forbrændingsmodel baseret på VLES og FGM blev brugt til at udføre numeriske beregninger på den metan/luft turbulente jetflamme (Flame D) målt af Sandia laboratoriet i USA, og der blev foretaget kvantitative sammenligninger med de eksperimentelle måledata. Brændstofmaterialet i Sandia Flame D-eksemplet (Reynolds nummer er 22400) er en komplet blanding af metan og luft med et volumenforhold på 1:3, brændstofindløbshastigheden er omkring 49.9 m/s, og vågehastigheden er omkring 11.4 m/s. Toldflammen er en blanding af brændt metan og luft, og vågematerialet er ren luft. Beregningen anvender et struktureret net, og det samlede antal net er omkring 1.9 mio.

Fordelingen af ​​den gennemsnitlige massefraktion af forskellige komponenter langs aksen er vist i figur 5. De vandrette og lodrette koordinater i figuren er henholdsvis dimensionsløs afstand (D2 er diameteren af ​​indløbsstrålerøret) og dimensionsløs massefraktion. Det kan ses af figuren, at forudsigelsen af ​​hovedkomponenterne i forbrændingsprocessen ved VLES-metoden generelt er i god overensstemmelse med de eksperimentelle resultater. Den spredte fordeling af temperaturen ved forskellige nedstrømspositioner i blandingsfraktionsrummet er vist i figur 6. Det kan ses af figuren, at den spredte fordelingstendens forudsagt af VLES-metoden grundlæggende stemmer overens med forsøgsresultaterne, og kun den beregnede ekstreme temperaturværdi er lidt højere end den eksperimentelle værdi. Fordelingen af ​​den øjeblikkelige hvirvel-, temperatur- og opløsningskontrolfunktion beregnet af VLES er vist i figur 7, hvor den fuldt optrukne linje er taget som Zst=0.351. Det kan ses af figuren, at kernestråleområdet udviser kraftig turbulent pulsering, og efterhånden som strømningsfeltet udvikler sig nedstrøms, øges skalaen af ​​hvirvelstrukturen gradvist. Som det kan ses af figur 7 (b) og (c), er opløsningskontrolfunktionen i de fleste kemiske reaktionsområder mellem 0 og 1, hvilket indikerer, at den lokale netopløsning kan fange storskala turbulens og kun simulere småskala turbulens gennem modellen. På dette tidspunkt opfører VLES sig som en omtrentlig stor hvirvelsimuleringsløsningstilstand. I jet shear-laget og den ydre kant af den nedstrøms flamme er opløsningskontrolfunktionen tæt på 1, hvilket indikerer, at den trunkerede filterskala i beregningsgitteret er større end den lokale turbulensskala. På dette tidspunkt opfører VLES sig som en ustabil Reynolds gennemsnitlig løsningstilstand. Sammenfattende kan det ses, at VLES-metoden kan realisere transformationen af ​​flere turbulensløsningstilstande i henhold til realtidsegenskaberne for hvirvelstrukturens udvikling og nøjagtigt kan forudsige den ustabile forbrændingsproces i turbulente flammer.

Stor hvirvelsimulering af den komplette forstøvningsproces

Det meste af det brændstof, der bruges i forbrændingskammeret i en flymotor, er flydende brændstof. Flydende brændstof kommer ind i forbrændingskammeret og gennemgår primære forstøvnings- og sekundære forstøvningsprocesser. Der er mange vanskeligheder ved at simulere den komplette forstøvningsproces af flydende brændstof, herunder indfangningen af ​​den gas-væske to-fase topologiske grænsefladekonfiguration, væskesøjle deformation og brud, opdelingsudviklingen af ​​væskebånd og flydende filamenter til dråber og interaktionen mellem turbulent strømning og dråber. Huang Ziwei [19] udviklede en komplet forstøvningsprocessimuleringsmodel baseret på VLES-metoden kombineret med VOFDPM-hybridforstøvningsberegningsmetoden, der realiserede fuld-processens numeriske simulering af brændstofforstøvning fra kontinuerlig væske til diskrete dråber.

En nyudviklet forstøvningsprocessimuleringsmodel blev brugt til at udføre højpræcisions numeriske beregninger af den klassiske lateral flow væskesøjleforstøvningsproces, og der blev foretaget en detaljeret sammenligning med de eksperimentelle resultater i den åbne litteratur [20] og beregningsresultaterne for simulering af store hvirvler [21]. I regneeksemplet er gasfasen luft med hastigheder på henholdsvis 77.89 og 110.0 m/s, og væskefasen er flydende vand med en hastighed på 8.6 m/s. De tilsvarende Weber-tal er henholdsvis 100 og 200. For bedre at kunne simulere den sekundære breakup-proces, adopterer breakup-modellen Kelvin-Helmholtz og Rayleigh-Taylor (KHRT) modellen.

Den komplette forstøvningsproces forudsagt af VLES under Weber nummer 100-tilstanden er vist i figur 8. Som det kan ses af figuren, dannes et tyndt lag af væskesøjle i det indledende område, og derefter bryder væskesøjlen op i væskebånd og væskefilamenter, og bryder i dråber under påvirkning af aerodynamisk kraft, og dråberne brydes yderligere op i mindre dråber. Strømhastigheden og spændvidde hvirvelfordelingen beregnet af VLES under Weber nummer 100 betingelsen er vist i figur 9. Som det kan ses af figuren, er der en typisk lavhastigheds recirkulationszone på læsiden af ​​væskesøjlen. Det kan ses ud fra den øjeblikkelige hvirvelfordeling, at læsiden af ​​væskesøjlen udviser en stærk hvirvelstruktur, og den stærke turbulente bevægelse i lavhastigheds-recirkulationszonen bidrager til brud på væskesøjlens ark og dannelsen af ​​dråber.

Forholdet mellem den initiale strålediameter og væskestrålens minimale flowdimension, når væskesøjlen begynder at bryde op under forskellige Weber-tal, er vist i figur 10. På figuren er di væskestrålens minimumsflowdimension, når væskesøjlen begynder at bryde op, og D3 er den initiale væskestrålediameter. Det kan ses af figuren, at VLES-beregningsresultaterne er i god overensstemmelse med forsøgsresultaterne, som er bedre end de store hvirvel-simuleringsberegningsresultater i litteraturen [21].

Forbrændingsustabilitet Meget stor hvirvelsimulering

For at opfylde kravene til lave emissioner er civile flys forbrændingskamre normalt designet med forblandet eller delvist forblandet mager forbrænding. Mager forblandet forbrænding har imidlertid dårlig stabilitet og er tilbøjelig til at excitere termoakustisk koblede oscillationsforbrændingstilstande, hvilket fører til forbrændingsustabilitet. Forbrændingsustabilitet er meget ødelæggende og kan være ledsaget af problemer som flashback og solid deformation, som er et fremtrædende problem, som forbrændingskammerdesign står over for.

Den numeriske beregning af forbrændingsustabilitet kan opdeles i to kategorier: afkoblingsmetode og direkte koblingsmetode. Metoden til forudsigelse af afkoblet forbrændingsustabilitet afkobler den ustabile forbrænding og akustiske løsninger. Ustabil forbrænding kræver et stort antal numeriske beregningsprøver for at opbygge en pålidelig flammebeskrivelsesfunktion. Hvis beregningsmetoden til simulering af store hvirvelstrømme anvendes, er dens forbrug af computerressourcer for stort. Den direkte koblingsberegningsmetode er baseret på den komprimerbare løsningsmetode, og opnår direkte resultatet af forbrændingsustabilitet gennem højpræcisions ustabil beregning, det vil sige, at koblingsberegningsprocessen for ustabil forbrænding og akustik under givne arbejdsforhold afsluttes på én gang inden for samme beregningsramme.

I undersøgelsen af ​​numerisk simulering af afkobling af forbrændingsustabilitet, Huang et al. [27] udviklede en beregningsmodel for forbrændingsustabilitet baseret på VLES-metoden kombineret med beregningsmetoden for fortykkelsesflamme og opnåede nøjagtig forudsigelse af den ustabile forbrændingsproces under akustisk excitation. Regneeksemplet er en stump krop stationær ethylen/luft fuldt forblandet flamme udviklet af Cambridge University, med et ækvivalensforhold på 0.55 og et Reynolds tal på omkring 17000. Sammenligningen mellem VLES beregningsresultaterne og de eksperimentelle resultater af de ustabile flamme dynamiske karakteristika under akustisk excitation kan ses i figuren under akustisk excitation12. indløbets excitationsproces, ruller flammen over ved de indre og ydre forskydningslag og udvikler sig til et modsat roterende hvirvelpar. I denne proces fortsætter udviklingen af ​​den svampeformede flammeprofil med at udvikle sig med ændringen af ​​fasevinklen. VLES-beregningsresultaterne gengiver godt de flammeudviklingskarakteristika, der blev observeret i eksperimentet. Sammenligningen af ​​amplituden og faseforskellen af ​​varmeafgivelseshastighedsresponsen under 160 Hz akustisk excitation opnået ved forskellige beregningsmetoder og eksperimentelle målinger er vist i figur 13. I figuren Q' og Q͂ er henholdsvis den pulserende varmeafgivelse og den gennemsnitlige varmefrigivelse ved forbrænding, A er amplituden af ​​sinusformet akustisk excitation, og ordinaten i figur 13 (b) er faseforskellen mellem det transiente varmeafgivelsessignal for forbrænding under akustisk excitation og indgangshastighedsexcitationssignalet. Som det kan ses af figuren, er forudsigelsesnøjagtigheden af ​​VLES-metoden sammenlignelig med nøjagtigheden af ​​simulering af store hvirvelstrømme [28], og begge er i god overensstemmelse med de eksperimentelle værdier. Selvom den ustabile RANS-metode forudsiger tendensen til ikke-lineær respons, afviger de beregnede kvantitative resultater meget fra de eksperimentelle værdier. For faseforskellens resultater (Figur 13 (b)), er tendensen for faseforskellen forudsagt af VLES-metoden med forstyrrelsesamplituden grundlæggende konsistent med de eksperimentelle resultater, mens resultaterne af simulering af store hvirvelstrømme ikke forudsiger ovenstående tendens godt.