Forskningsfremskridt inden for aerodynamisk ydelse af flymotorbrændingskammer baseret på store eddysimulering

Forskningsfremskridt inden for aerodynamisk ydelse af flymotorbrændingskammer baseret på store eddysimulering

Forbrændelsesrummet er en af de grundlæggende komponenter i en flymotor, og den aerodynamiske ydelse af forbrændelsesrummet spiller en afgørende rolle for hele motorens ydelse. For at opfylde de stadig strengere tekniske krav fra motoren til forbrændelsesrummet er forbrændelsesorganisationen og strømningsegenskaberne indeni forbrændelsesrummet blevet meget komplekse. Den fremgangende og trykfremmeproces i diffusoren kan stå over for strømskilning under en kraftig ugunstig trykkurve; luftstrømmen passerer gennem et flertrins-svirl-apparat for at danne store skala vorteksestrukturer, hvilket på den ene side fremmer fordampningen og atomiseringen af væskebrensel og dannen en kraftigt pulserende, ustabil blandelse med brensel, og på den anden side genererer en stille flamme i aerodynamiske recirculationszoner; de flere stråler fra hovedforbrændelses-/blandingsåbningen interagerer med den laterale strøm i flammepipen for at danne en modroterende vortexpar, hvilket har stor indflydelse på turbulent blandelse. På baggrund af strømningen er multi-skala fysiske og kemiske processer såsom atomisering og fordampning, blandelse, kemisk reaktion og interaktion mellem turbulence og flamme stærkt koblet, hvilket sammen bestemmer forbrændelsesrummets aerodynamiske egenskaber. Den højpræcise modellering og beregning af disse fysiske og kemiske processer har altid været et aktuelt forskningsemne både hjemme og udadtil.

Atomiseringen, fordampningen, blandingen og forbrændingsprocesserne i forbrændingskammeret udvikler og evoluerer i et turbulent strømningsmiljø, så strømning er grundlaget for simulering af aerodynamiske ydelser af forbrændingskammeret. Den grundlæggende karakteristik af turbulence er, at strømningsparametrene viser tilfældig pulsation på grund af den ikke-lineære konvektionsproces. Turbulence indeholder mange vorteksstrukturer. De forskellige vorteces omfang i længde- og tidskalor er enormt, og når Reynolds-tallet stiger, øges afstanden mellem skaler skarpt. Ifølge andelen af de turbulente vorteksstrukturer, der løses direkte, simulation af turbulence  metoder er indelt i direkte numerisk simulation (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), large eddy simulation (LES) og blandede turbulenssimuleringsmetoder. RANS-metoden, som bruges vidt om i ingeniørvidenskaben, løser den turbulente gennemsnitsfelt og bruger et model til at simulere al turbulent pulsationsinformation. Beregningstallet er lille, men nøjagtigheden er dårlig. For stærk svingning og ustabil strømprocesse i forbrændingskammeret kan RANS ikke opfylde kravene for detaljeret design. Pitsch påpegede, at beregningskompleksiteten af LES ligger mellem RANS og DNS og anvendes i øjeblikket til turbulente forbrændingsberegninger i uforbundne rum med medium og lav Reynolds-tal. På grund af den lille skala af turbulence i nærvejrsområdet af forbrændingskammeret og det høje Reynolds-tal af strømmen, er antallet af gittere, der kræves for en LES-beregning af kun ét hoved af forbrændingskammeret, i hundrede millioner til milliarder. Sådan en høj forbrug af beregningsressourcer begrænser den vidstrakte anvendelse af LES i forbrændingskammer-simuleringer.

Opbygningen af højpræcise beregningsmodeller og -metoder baseret på rammerne Very Large Eddy Simulation (VLES) og Hybrid RANS-LES Methode er en vigtig tendens inden for numerisk simulation. VLES-metoden, som blev udviklet af Han et al., løser problemet med lav beregningseffektivitet, forårsaget af filtrering af gitterstørrelse og løsning af matchingsbegrænsninger for turbulensstørrelse i traditionel LES, og gennemfører koppelmodellering mellem turbulens multi-skala karakteristika, transiente evolutionskarakteristika og gitteroppløsning. VLES justerer adaptivt forholdet mellem turbulensløsning og modellering baseret på de virkelige tidskarakteristika for vortexstruktur-evolutionen, hvilket betydeligt reducerer beregningsomkostningerne samtidig med at der sikres beregningsnøjagtighed.

Til trods for dette har teorien og egenskaberne ved VLES ikke været så dybtgående undersøgt og anvendt som den traditionelle LES. Denne artikel introducerer systematisk modelleringsteorien for VLES og dets anvendelseseffekter i forskellige fysiske situationer relateret til forbændingskamre, hvilket fremmer den bredere anvendelse af VLES inden for simulering af flymotorforbændingskamre.

Large Eddy Simulation Metode

Indvirkningen af turbulenssimuleringsmetoder på forbrug af beregningsressourcer og modeller vises i figur 1. RANS, LES og VLES-metoder opnår alle strømningssimulering gennem turbulensmodellering. Det bør bemærkes, at den tidligste klare definition af VLES blev givet af Pope, hvilket henviser til "at det beregningsgitter, der anvendes, er for groft, således at den turbulente kinetiske energi, der løses direkte, er mindre end 80% af den totale turbulente kinetiske energi". Samtidig betyder LES ifølge Pope [6] "at det beregningsgitter er meget fint, således at den turbulente kinetiske energi, der løses direkte, er større end 80% af den totale turbulente kinetiske energi". Alligevel skal det understreges, at VLES-metoden, der præsenteres i denne artikel, er en ny beregningsmetode, der er ombygget og udviklet på baggrund af den tidligere metode. Selvom navnene er de samme, er den nye VLES-metode væsentligt forskellig fra VLES-metoden, som blev defineret af Pope. Som det kan ses af figuren, er de traditionelle turbulensmodeller i rækkefølge efter beregningsnøjagtighed RANS, URANS, hybride RANS/LES, LES og DNS. Under den nye modellramme er turbulensmodellerne indkapslet i rækkefølge efter beregningsnøjagtighed i RANS, VLES og DNS. Dvs., at VLES-metoden gør det muligt at forene flere traditionelle turbulensmodeller, og forskellige modeller overgår og konverteres smootht og adaptivt ifølge lokale karakteristika under faktiske beregninger.

Simulation af typiske fysiske processer i forbrændingskammeret

Very Large Eddy Simulation af stærkt svirrende strømning

Forbrændingskammeret i en flymotor anvender ofte strømningsorganisationsformer som f.eks. flere svirl-niveauer og stærk swirl. Svirrstrømningen er den mest grundlæggende strømningsform i forbrændingskammeret. Da svirringen dominerer både i strømningsretningen og i den tangentielle retning, har den turbulent pulsation en større anisotropi end traditionel rørstrømning, kanalstrømning og jet-strømning. Derfor udgør den numeriske simulation af svirring en stor udfordring for turbulenssimuleringsmetoder. Xia et al. brugte VLES-metoden til at beregne det klassiske eksempel på stærk svirring i røret; Dellenback et al. [14] foretog strømningsfelter eksperimenter på dette eksempel og har detaljerede eksperimentelle data. Strømnings-Reynolds-tallet for det beregnede eksempel er 1.0 × 105 (baseret på diameteren af den cirkulære rør) og swirl-tallet er 1,23. To sæt af strukturerede gitter bruges i beregningen. Det totale antal sparske gitter (M1) er omkring 900.000, og det totale antal krypterede gitter (M2) er omkring 5,1 millioner. De statistiske øjeblikker, som er erhvervet 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 for den radiale fordeling af den cirkumferentielle gennemsnitlige hastighed og pulsationshastighed på forskellige nedstrømspositioner under stærk svirrende strøm vises i figur 4. I figuren er de vandrette og lodrette koordinater henholdsvis dimensionsløs afstand og dimensionsløs hastighed, hvor D1 er diameteren af indgangscirkulære rør og Uin er den indgående gennemsnitlige hastighed. Som kan ses af figuren viser strømfeltet et typisk Rankin-lignende sammensat virvel, der gradvist overgår til en enkelt fast kropsvirvel. Ved sammenligning af beregninger og eksperimentelle resultater kan det konstateres, at VLES-metoden har en høj beregningsnøjagtighed ved forudsigelse af den cirkumferentielle hastighed for stærk svirrende strøm, hvilket er godt i overensstemmelse med fordelingen af eksperimentelle målinger. Den traditionelle RANS-metode har en meget stor afvigelse ved beregning af svirrende strøm og kan ikke korrekt forudsige den rumlige evolution af svirringsstrømfeltet og turbulent pulsation. I sammenligning har VLES-metoden en meget høj nøjagtighed ved forudsigelse af det gennemsnitlige hastighedsfelt, pulsationshastighedsfelt og rumlig evolution under kompleks stærk svirrende strøm, og kan stadig garantere en høj beregningsnøjagtighed selv ved relativt sjældne gitteroppløsninger. Ved forudsigelse af den cirkumferentielle gennemsnitlige hastighed er beregningsresultaterne af VLES-metoden i væsentlig grad ens ved to sæt af sjældne og tætte gitteroppløsninger.

Stor Eddy-simulation af turbulent combustion

For at undersøge muligheden for VLES-metoden i forbindelse med at forudsige problemer med turbulent combustion [15-16], blev en turbulent combustionmodel udviklet baseret på VLES-metoden sammenkædet med flammelgenererede mangfoldigheder (FGM). Den grundlæggende ide er at antage, at den turbulente flammer har en lokal en-dimensionel laminær flammestruktur, og at den turbulente flammeflade er den ensemble-gennemsnitlige af en række laminære flammeflader. Derfor kan det højedimensionelle komponentrum kortlægges til et lavdimensionelt strømningsskema, der består af flere karakteristiske variable (blandingsfaktor, reaktionsfremskridtsvariabel osv.). Under forudsætning af at overveje den detaljerede reaktionsmekanisme reduceres antallet af transportligninger, der skal løses, betydeligt, hvilket reducerer beregningsomkostningerne markant.

Den specifikke implementeringsproces er at konstruere FGM-laminarytabel baseret på blandingsfraktionen og reaktionsfremskridtsvariable, overveje interaktionen mellem turbulent combustion ved at antage sandsynlighedsdensitetsfunktionsmetoden til at integrere laminærtabelen, og derefter få turbulent tabel. I den numeriske beregning løses transportligningerne for blandingsfraktionen, reaktionsfremskridtsvariable og den tilhørende varians, og der oprettes informationsdata om forbreningsfeltet ved at forespørge turbulent tabel.

Det turbulent forbrændingsmodel baseret på VLES og FGM blev brugt til at udføre numeriske beregninger på den metan/luftrige turbulent stråleflamme (Flame D), som blev målt af Sandia-laboratoriet i USA, og der blev foretaget kvantitative sammenligninger med de eksperimentelle måledata. Brændstofmaterialet i Sandia-flamme D-eksemplet (Reynolds-tal er 22400) er en fuldstændig blanding af metan og luft med et volumforhold på 1:3, brændstofindgangshastigheden er omkring 49,9 m/s, og bagvandshastigheden er omkring 11,4 m/s. Den funktionelle flamme er en blanding af forbrændt metan og luft, og bagvandsmaterialet er ren luft. Beregningen bruger en struktureret gitter, og det samlede antal gitter er omkring 1,9 millioner.

Fordelingen af den gennemsnitlige massefraktion af forskellige komponenter langs aksen vises i figur 5. De horisontale og vertikale koordinater i figuren er dimensionsløs afstand (D2 er diameteren på indgangsstrømningen) og dimensionsløs massefraktion, henholdsvis. Det kan ses fra figuren, at forudsigelsen af de hovedkomponenter i forbændelsesprocessen ved brug af VLES-metoden generelt er godt i overensstemmelse med de eksperimentelle resultater. Den spredte fordeling af temperatur på forskellige nedstrømspositioner i blandingsfraktionsrummet vises i figur 6. Det kan ses fra figuren, at den spredte fordelingsånd, der blev forudsagt af VLES-metoden, er i stor grad konsekvent med de eksperimentelle resultater, og kun det beregnede temperatur-ekstremværdi er lidt højere end den eksperimentelle værdi. Fordelingen af det momentane vorticitet, temperatur og oppløsningskontrolfunktion, som blev beregnet ved hjælp af VLES, vises i figur 7, hvor den faste linje tages som Zst=0.351. Det kan ses fra figuren, at kernen af strømningsområdet udviser stærke turbulente pulsationer, og mens feltet udvikler sig nedstrøms, vokser skalaen på vortexstrukturen gradvist. Som kan ses af figur 7 (b) og (c), er oppløsningskontrolfunktionen mellem 0 og 1 i de fleste kemiske reaktionsområder, hvilket angiver, at den lokale gitteroppløsning kan fange store skalerede turbulence og kun simulere små skalerede turbulence gennem modellen. På dette tidspunkt optræder VLES som en tilnærmet løsningsmode for store eddy-simulationer. I strømningens skæringslag og den ydre kant af flammen nedstrøms er oppløsningskontrolfunktionen tæt på 1, hvilket angiver, at den afkortede filterskala af beregningsgitteret er større end den lokale turbulence-skala. På dette tidspunkt optræder VLES som en ustabil Reynolds-gennemsnitsløsningsmode. I alt set kan det konkluderes, at VLES-metoden kan realisere transformationen af flere turbulence-løsningsmoder i overensstemmelse med de virkelige karakteristika for udviklingen af vortexstrukturen og kan nøjagtigt forudsige den ustabile forbændelsesproces i turbulent flammer.

Stor eddy-simulation af den fuldstændige atomiseringsproces

Det meste af brændstofet, der bruges i forbrændingskammeret i en flymotor, er væskebrændstof. Væskebrændstofet indgår i forbrændingskammeret og gennemgår primær- og sekundæratomiseringsprocesser. Der findes mange vanskeligheder ved at simulere den fuldstændige atomiseringsproces af væskebrændstof, herunder opfanging af konfigurationen af gas-væske to-fase topologisk grænseflade, deformering og knækning af væskepiller, opsplitningsudvikling af væskestribaser og væsketråde til dråber, samt interaktionen mellem turbulent strømning og dråber. Huang Ziwei [19] udviklede et model til simulation af den fuldstændige atomiseringsproces baseret på VLES-metoden koblet med VOFDPM-hybridatomiseringsberegningmetoden, hvilket gør det muligt at foretage numerisk simulation af hele atomiseringsprocessen fra kontinuert væske til diskrete dråber.

Et nyt udviklet simulationsmodel for atomisering blev brugt til at udføre højpræcise numeriske beregninger af den klassiske lateral flow væske søjle atomiseringsproces, og der blev foretaget en detaljeret sammenligning med de eksperimentelle resultater i den åbne litteratur [20] og de store eddy simulationsresultater [21]. I beregningsEksemplet er gasfasen luft med hastigheder på henholdsvis 77,89 og 110,0 m/s, og væskefasen er væsket vand med en hastighed på 8,6 m/s. De tilhørende Weber tal er henholdsvis 100 og 200. For at kunne simulere sekundær opbrud proces bedre, anvender opbrudsmodellen Kelvin-Helmholtz og Rayleigh-Taylor (KHRT) model.

Den fuldstændige atomiseringsproces, som VLES forudsiger under Weber-tal-konditionen på 100, vises i figur 8. Som det kan ses af figuren, dannes der et tyndt væskekolonneark i startområdet, hvorefter væskekolonnen brydes op i væskestribeder og væsketråde, og derefter brydes de op i tråppler under virkningsbidraget fra aerodynamisk kraft. Tråpplene bliver yderligere brydt op i mindre tråpplere gennem sekundær brydning. Strømghastigheden og udslætningen af vorticitet beregnet ved hjælp af VLES under Weber-tal-konditionen på 100 vises i figur 9. Som det kan ses af figuren, findes der en typisk lavhastighedsrecirkulationszone på den skruevindsskyttede side af væskekolonnen. Det kan konkluderes ud fra den momentane vorticitetsfordeling, at den skruevindsskyttede side af væskekolonnen udviser en stærk rotationsstruktur, og den stærke turbulent bevægelse i lavhastighedsrecirkulationszonen bidrager til ødelæggelsen af væskekolonnen ark og dannelsen af tråpplere.

Forholdet mellem den initielle strålediameter og den minimale strømningdimension af væskestrålen, når væskesøjlen begynder at bryde under forskellige Weber tal, vises i figur 10. I figuren er di den minimale strømningdimension af væskestrålen, når væskesøjlen begynder at bryde, og D3 er den initielle væskestrålediameter. Det kan ses fra figuren, at VLES-beregningsresultaterne er i god overensstemmelse med de eksperimentelle resultater, som er bedre end store eddy-simulationsresultaterne i litteraturen [21].

Brændningsustabilitet Meget Stor Eddysimulation

For at opfylde kravene om lave udstødninger er brændkammer i civile fly normalt designet med forudblandet eller delvist forudblandet mager brænding. Imidlertid har mager forudblandet brænding dårlig stabilitet og er følsom overfor at udløse termoakustisk koblet oscillerende brændningstilstand, hvilket fører til brændningsinstabilitet. Brændningsinstabilitet er højst ødelæggende og kan være forbundet med problemer såsom flashback og fast stof deformation, hvilket er et fremtrædende problem, som brændkammerdesign står overfor.

Den numeriske beregning af kraftigt ustabil brænding kan opdeles i to kategorier: decoupling-metode og direkte coupling-metode. Den decoupled brændingsustabilitetsforudsigelsesmetode adskiller den ustabile brænding fra akustiske løsninger. Ustabil brænding kræver et stort antal numeriske beregningsprøver for at bygge en pålidelig flammefunktionsbeskrivelse. Hvis store eddy-simulationsberegninger anvendes, er dets forbrug af beregningsressourcer for stort. Den direkte coupling-beregningsmetode baseres på den komprimerbare løsningsmetode og får direkte resultatet af brændingsustabilitet gennem højpræcise ustabile beregninger, det vil sige, at coupling-beregningen af ustabil brænding og akustik under de givne arbejdsbetingelser fuldføres på én gang inden for samme beregningsramme.

Ved studien af numerisk simulering af udstedelsesustabilitetsdekopling udviklede Huang et al. [27] en beregningmodel for udstedelsesustabilitet baseret på VLES-metoden koblet med den tykkede flammemetode, og opnåede nøjagtig prædiktion af den ustabile forbrændingsproces under akustisk eksterning. Beregningseksemplet er en stump krop stationær ethylend/luft fuldt forudblandet flamme udviklet af Cambridge University, med en ækvivalensforhold på 0,55 og en Reynolds-tal på omkring 17000. Sammenligningen mellem VLES-beregningerne og eksperimentelle resultater af den ustabile flammes dynamiske egenskaber under akustisk eksterning vises i figur 12. Det kan ses fra figuren, at under inlet-eksterningsprocessen ruller flammen over på de indre og ydre skæringslag og udvikler sig til en modroterende vandpar. I dette proces fortsætter udviklingen af den svampformede flammeprofil med fasedvinkelændringen. VLES-beregningerne gengiver godt de flammeevolutionskarakteristika observeret i eksperimentet. Sammenligningen af amplituden og faseforskellen for varmeudgiftsraten respons ved 160 Hz akustisk eksterning opnået ved forskellige beregningsmetoder og eksperimentelle målinger vises i figur 13. I figuren Q' og Q ͂ er henholdsvis den pulsierende varmeudslip og den gennemsnitlige varmeudslip af forbrænding, A er amplituden af den sinusformede akustiske ekstern stimulering, og y-aksen i figur 13 (b) er faseforskellen mellem den midlertidige varmeudslipssignal af forbrænding under akustisk stimulering og indgangshastighedens stimulerings signal. Som det kan ses af figuren, er prædiktionsnøjagtigheden ved VLES-metoden sammenlignelig med nøyaktigheden af store eddy-simulering [28], og begge er godt i overensstemmelse med eksperimentelle værdier. Selvom den ustabile RANS-metode prædicerer tendensen for den ikke-lineære respons, afviger de beregnede kvantitative resultater meget fra de eksperimentelle værdier. For faseforskelresultaterne (figur 13 (b)) er tendensen for faseforskellen, som prædiktes af VLES-metoden med forstyrrelsesamplituden, i hovedtræk konsekvent med de eksperimentelle resultater, mens store eddy-simulationsresultaterne ikke prædiker ovenstående tendens godt.