Πρόοδος της έρευνας σχετικά με την αεροδυναμική απόδοση του θαλάμου καύσης κινητήρα αεροσκαφών με βάση την προσομοίωση μεγάλων δίνων

Πρόοδος της έρευνας σχετικά με την αεροδυναμική απόδοση του θαλάμου καύσης κινητήρα αεροσκαφών με βάση την προσομοίωση μεγάλων δίνων

Ο θάλαμος καύσης είναι ένα από τα βασικά στοιχεία ενός κινητήρα αεροσκάφους και η αεροδυναμική απόδοση του θαλάμου καύσης παίζει ζωτικό ρόλο στην απόδοση ολόκληρου του κινητήρα. Προκειμένου να ικανοποιηθούν οι ολοένα και πιο αυστηρές τεχνικές απαιτήσεις του κινητήρα για τον θάλαμο καύσης, ο τρόπος οργάνωσης της καύσης και τα χαρακτηριστικά ροής μέσα στον θάλαμο καύσης έχουν γίνει πολύ περίπλοκα. Η διαδικασία επιβράδυνσης και συμπίεσης του διαχύτη μπορεί να αντιμετωπίσει διαχωρισμό ροής κάτω από ισχυρή δυσμενή κλίση πίεσης. η ροή αέρα διέρχεται από μια συσκευή στροβιλισμού πολλαπλών σταδίων για να σχηματίσει μια δομή στροβιλισμού μεγάλης κλίμακας, η οποία αφενός προάγει τον ψεκασμό και την εξάτμιση του υγρού καυσίμου και σχηματίζει ένα ισχυρά παλλόμενο, ασταθές μίγμα με το καύσιμο και αφετέρου δημιουργεί μια σταθερή φλόγα στη ζώνη αεροδυναμικής ανακυκλοφορίας. οι πολλαπλοί πίδακες της κύριας οπής καύσης/ανάμιξης αλληλεπιδρούν με την πλευρική ροή στον σωλήνα φλόγας για να σχηματίσουν ένα αντίθετα περιστρεφόμενο ζεύγος δίνης, το οποίο έχει σημαντική επίδραση στην τυρβώδη ανάμειξη. Με βάση τη ροή, πολλαπλές φυσικές και χημικές διεργασίες όπως η ψεκασμός και η εξάτμιση, η ανάμιξη, η χημική αντίδραση και η αλληλεπίδραση μεταξύ τύρβης και φλόγας συνδέονται έντονα, οι οποίες καθορίζουν από κοινού τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά του θαλάμου καύσης. Η μοντελοποίηση και ο υπολογισμός υψηλής ακρίβειας αυτών των φυσικών και χημικών διεργασιών ήταν πάντα ένα καυτό θέμα έρευνας στο εσωτερικό και στο εξωτερικό.

Οι διαδικασίες ψεκασμού, εξάτμισης, ανάμειξης και καύσης στον θάλαμο καύσης αναπτύσσονται και εξελίσσονται σε ένα περιβάλλον τυρβώδους ροής, επομένως η ροή είναι η βάση για την προσομοίωση της αεροδυναμικής απόδοσης του θαλάμου καύσης. Το βασικό χαρακτηριστικό των αναταράξεων είναι ότι οι παράμετροι ροής δείχνουν τυχαίους παλμούς λόγω της διαδικασίας μη γραμμικής συναγωγής. Ο στροβιλισμός περιέχει πολλές δομές δίνης. Τα διαστήματα των διαφορετικών στροβιλισμών σε κλίμακες μήκους και χρόνου είναι τεράστια, και καθώς αυξάνεται ο αριθμός Reynolds, τα ανοίγματα μεταξύ των κλιμάκων αυξάνονται απότομα. Σύμφωνα με την αναλογία των δομών τυρβώδους δίνης που επιλύονται άμεσα, προσομοίωση στροβιλισμού Οι μέθοδοι χωρίζονται σε μεθόδους άμεσης αριθμητικής προσομοίωσης (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), προσομοίωσης μεγάλων δίνων (LES) και προσομοίωσης μικτών αναταράξεων. Η μέθοδος RANS, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως στη μηχανική, λύνει το τυρβώδες μέσο πεδίο και χρησιμοποιεί ένα μοντέλο για την προσομοίωση όλων των πληροφοριών τυρβώδους παλμού. Το ποσό υπολογισμού είναι μικρό, αλλά η ακρίβεια είναι μικρή. Για ισχυρές διεργασίες στροβιλισμού και ασταθούς ροής στον θάλαμο καύσης, το RANS δεν μπορεί να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις εκλεπτυσμένου σχεδιασμού. Ο Pitsch επεσήμανε ότι η υπολογιστική πολυπλοκότητα του LES είναι μεταξύ RANS και DNS και επί του παρόντος χρησιμοποιείται για υπολογισμούς τυρβώδους καύσης σε απεριόριστους χώρους με μεσαίους και χαμηλούς αριθμούς Reynolds. Λόγω της μικρής κλίμακας αναταράξεων στην περιοχή κοντά στο τοίχωμα του θαλάμου καύσης και του υψηλού αριθμού Reynolds της ροής, η ποσότητα των πλεγμάτων που απαιτούνται για τον υπολογισμό LES μόνο μιας κεφαλής του θαλάμου καύσης είναι εκατοντάδες εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια. Τέτοια υψηλή υπολογιστική κατανάλωση πόρων περιορίζει την ευρεία χρήση του LES στις προσομοιώσεις θαλάμων καύσης.

Η καθιέρωση μοντέλων και μεθόδων υπολογισμού υψηλής ακρίβειας που βασίζονται στα πλαίσια της μεθόδου Very Large Eddy Simulation (VLES) και Hybrid RANS-LES είναι μια σημαντική τάση στην αριθμητική προσομοίωση. Η μέθοδος VLES που αναπτύχθηκε από τους Han et al. λύνει το πρόβλημα της χαμηλής υπολογιστικής απόδοσης που προκαλείται από το φιλτράρισμα της κλίμακας πλέγματος και την επίλυση περιορισμών αντιστοίχισης κλίμακας αναταράξεων στο παραδοσιακό LES και πραγματοποιεί μοντελοποίηση σύζευξης μεταξύ χαρακτηριστικών πολλαπλής κλίμακας τύρβης, χαρακτηριστικών παροδικής εξέλιξης και ανάλυσης πλέγματος. , το VLES προσαρμόζει προσαρμοστικά την αναλογία μεταξύ λύσης αναταράξεων και μοντελοποίησης μοντέλων με βάση τα χαρακτηριστικά σε πραγματικό χρόνο της εξέλιξης της δομής στροβιλισμού, μειώνοντας σημαντικά το υπολογιστικό κόστος, διασφαλίζοντας ταυτόχρονα την ακρίβεια υπολογισμού.

Ωστόσο, σε σύγκριση με τα παραδοσιακά LES, η θεωρία και τα χαρακτηριστικά του VLES δεν έχουν μελετηθεί και χρησιμοποιηθεί ευρέως. Αυτή η εργασία εισάγει συστηματικά τη θεωρία μοντελοποίησης του VLES και τα αποτελέσματα εφαρμογής του σε διάφορα φυσικά σενάρια που σχετίζονται με θαλάμους καύσης, προωθώντας τη μεγάλης κλίμακας εφαρμογή του VLES στον τομέα της προσομοίωσης θαλάμου καύσης κινητήρα αεροσκαφών.

Μέθοδος Προσομοίωσης Μεγάλων Δινών

Η επίδραση των μεθόδων προσομοίωσης αναταράξεων στην υπολογιστική κατανάλωση πόρων και στα μοντέλα φαίνεται στο Σχήμα 1. Οι μέθοδοι RANS, LES και VLES επιτυγχάνουν όλες την προσομοίωση ροής μέσω της μοντελοποίησης αναταράξεων. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο παλαιότερος σαφής ορισμός του VLES δόθηκε από τον Pope, ο οποίος αναφέρεται στο "η κλίμακα υπολογιστικού πλέγματος είναι πολύ χονδροειδής έτσι ώστε η τυρβώδης κινητική ενέργεια που λύνεται άμεσα είναι μικρότερη από το 80% της συνολικής τυρβώδους κινητικής ενέργειας". Ταυτόχρονα, η έννοια του LES που δίνει ο Pope [6] είναι «το υπολογιστικό πλέγμα είναι πολύ λεπτό, έτσι ώστε η τυρβώδης κινητική ενέργεια που λύνεται άμεσα είναι μεγαλύτερη από το 80% της συνολικής τυρβώδους κινητικής ενέργειας». Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί ότι το VLES που εισάγεται σε αυτό το άρθρο είναι μια νέα υπολογιστική μέθοδος που έχει αναδιαμορφωθεί και αναπτυχθεί με βάση την προηγούμενη μέθοδο. Αν και τα ονόματα είναι ίδια, η νέα μέθοδος VLES είναι ουσιαστικά διαφορετική από τη μέθοδο VLES που ορίζει ο Pope. Όπως φαίνεται από το σχήμα, οι παραδοσιακοί τρόποι αναταράξεων είναι RANS, URANS, υβριδικά RANS/LES, LES και DNS κατά σειρά ακρίβειας υπολογισμού. Σύμφωνα με το νέο πλαίσιο μοντέλου, οι καταστάσεις αναταράξεων χωρίζονται σε RANS, VLES και DNS με σειρά ακρίβειας υπολογισμού. Δηλαδή, η μέθοδος VLES πραγματοποιεί την ενοποίηση πολλαπλών παραδοσιακών τρόπων αναταράξεων και διαφορετικά μοντέλα μεταβαίνονται προσαρμοστικά και μετατρέπονται ομαλά σύμφωνα με τα τοπικά χαρακτηριστικά στους πραγματικούς υπολογισμούς.

Προσομοίωση τυπικών φυσικών διεργασιών στο θάλαμο καύσης

Πολύ μεγάλη δινική προσομοίωση ισχυρής ροής στροβιλισμού

Ο θάλαμος καύσης ενός κινητήρα αεροσκάφους συνήθως υιοθετεί μορφές οργάνωσης του πεδίου ροής όπως στροβιλισμός πολλαπλών σταδίων και ισχυρός στροβιλισμός. Η ροή στροβιλισμού είναι η πιο βασική μορφή ροής στον θάλαμο καύσης. Δεδομένου ότι ο στροβιλισμός κυριαρχεί τόσο στην κατεύθυνση ροής όσο και στην εφαπτομενική κατεύθυνση, ο τυρβώδης παλμός του στροβιλισμού έχει ισχυρότερη ανισοτροπία από την παραδοσιακή ροή σωλήνων, τη ροή καναλιού και τη ροή πίδακα. Επομένως, η αριθμητική προσομοίωση του στροβιλισμού θέτει μια μεγάλη πρόκληση στη μέθοδο προσομοίωσης στροβιλισμού. Xia et al. χρησιμοποίησε τη μέθοδο VLES για να υπολογίσει το κλασικό παράδειγμα ροής ισχυρού στροβιλισμού στον σωλήνα. Οι Dellenback et al. [14] πραγματοποίησε πειράματα πεδίου ροής σε αυτό το παράδειγμα και έχει λεπτομερή πειραματικά δεδομένα. Ο αριθμός ροής Reynolds του υπολογιζόμενου παραδείγματος είναι 1.0×105 (με βάση τη διάμετρο του κυκλικού σωλήνα) και ο αριθμός στροβιλισμού είναι 1.23. Στον υπολογισμό χρησιμοποιούνται δύο σετ δομημένων πλεγμάτων. Ο συνολικός αριθμός των αραιών δικτύων (M1) είναι περίπου 900,000 και ο συνολικός αριθμός των κρυπτογραφημένων πλεγμάτων (M2) είναι περίπου 5.1 εκατομμύρια. Τα αποτελέσματα στατιστικής ροπής που λαμβάνονται με υπολογισμό συγκρίνονται περαιτέρω με τα πειραματικά αποτελέσματα για να επαληθευτεί η ακρίβεια υπολογισμού της μεθόδου VLES.

Η σύγκριση των αποτελεσμάτων υπολογισμού διαφορετικών μεθόδων και των πειραματικών αποτελεσμάτων της ακτινικής κατανομής της περιφερειακής μέσης ταχύτητας και της παλμικής ταχύτητας σε διαφορετικές θέσεις κατάντη υπό ισχυρή ροή στροβιλισμού φαίνεται στο σχήμα 4. Όπως φαίνεται από το σχήμα, το πεδίο ροής δείχνει μια τυπική σύνθετη δίνη τύπου Rankin που σταδιακά μεταβαίνει σε μια ενιαία δίνη άκαμπτου σώματος. Συγκρίνοντας τους υπολογισμούς και τα πειραματικά αποτελέσματα, μπορεί να διαπιστωθεί ότι η μέθοδος VLES έχει υψηλή ακρίβεια υπολογισμού για την πρόβλεψη της περιφερειακής ταχύτητας ισχυρής ροής στροβιλισμού, η οποία είναι σε καλή συμφωνία με την κατανομή των πειραματικών μετρήσεων. Η παραδοσιακή μέθοδος RANS έχει πολύ μεγάλη απόκλιση στον υπολογισμό της ροής στροβιλισμού και δεν μπορεί να προβλέψει σωστά τη χωρική εξέλιξη του πεδίου ροής στροβιλισμού και του τυρβώδους παλμού. Συγκριτικά, η μέθοδος VLES έχει πολύ υψηλή ακρίβεια στην πρόβλεψη του πεδίου μέσης ταχύτητας, του πεδίου παλλόμενης ταχύτητας και της χωρικής εξέλιξης υπό πολύπλοκη ισχυρή στροβιλιζόμενη ροή και μπορεί να εγγυηθεί υψηλή ακρίβεια υπολογισμού ακόμη και σε σχετικά αραιή ανάλυση πλέγματος. Για την πρόβλεψη της περιφερειακής μέσης ταχύτητας, τα αποτελέσματα υπολογισμού της μεθόδου VLES είναι βασικά συνεπή σε δύο σετ αραιών και πυκνών αναλύσεων πλέγματος.

Προσομοίωση Τυρβώδης Καύσης Μεγάλων Δινών

Προκειμένου να μελετηθεί η σκοπιμότητα της μεθόδου VLES στην πρόβλεψη προβλημάτων τυρβώδους καύσης [15-16], αναπτύχθηκε ένα μοντέλο τυρβώδους καύσης βασισμένο στη μέθοδο VLES σε συνδυασμό με τους πολλαπλούς που δημιουργούνται από φλόγες (FGM). Η βασική ιδέα είναι να υποθέσουμε ότι η τυρβώδης φλόγα έχει μια μονοδιάστατη δομή στρωτής φλόγας τοπικά και η τυρβώδης επιφάνεια φλόγας είναι ο μέσος όρος του συνόλου μιας σειράς στρωτών επιφανειών φλόγας. Επομένως, ο χώρος των συστατικών υψηλών διαστάσεων μπορεί να αντιστοιχιστεί σε ένα μοτίβο ροής χαμηλής διάστασης που αποτελείται από πολλές χαρακτηριστικές μεταβλητές (κλάσμα μίγματος, μεταβλητή προόδου αντίδρασης, κ.λπ.). Υπό την προϋπόθεση της εξέτασης του λεπτομερούς μηχανισμού αντίδρασης, ο αριθμός των εξισώσεων μεταφοράς που πρέπει να επιλυθούν μειώνεται σημαντικά, μειώνοντας έτσι σημαντικά το υπολογιστικό κόστος.

Η συγκεκριμένη διαδικασία υλοποίησης είναι να κατασκευάσουμε τον πίνακα δεδομένων στρωτών δεδομένων FGM με βάση τις μεταβλητές κλάσματος μίγματος και προόδου αντίδρασης, να λάβουμε υπόψη την αλληλεπίδραση μεταξύ τυρβώδους καύσης υποθέτοντας τη μέθοδο της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας για την ολοκλήρωση του στρωματικού πίνακα δεδομένων και έτσι να ληφθεί ο τυρβώδης πίνακας δεδομένων. Στον αριθμητικό υπολογισμό, επιλύονται οι εξισώσεις μεταφοράς του κλάσματος μείγματος, οι μεταβλητές προόδου της αντίδρασης και η αντίστοιχη διακύμανση και οι πληροφορίες του πεδίου καύσης λαμβάνονται με την αναζήτηση του τυρβώδους πίνακα δεδομένων.

Το μοντέλο τυρβώδους καύσης που βασίζεται σε VLES και FGM χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή αριθμητικών υπολογισμών στη φλόγα τυρβώδους πίδακα μεθανίου/αέρα (Flame D) που μετρήθηκε από το εργαστήριο Sandia στις Ηνωμένες Πολιτείες και έγιναν ποσοτικές συγκρίσεις με τα πειραματικά δεδομένα μετρήσεων. Το υλικό καυσίμου του παραδείγματος Sandia Flame D (αριθμός Reynolds είναι 22400) είναι ένα πλήρες μείγμα μεθανίου και αέρα με αναλογία όγκου 1:3, η ταχύτητα εισόδου καυσίμου είναι περίπου 49.9 m/s και η ταχύτητα αφύπνισης είναι περίπου 11.4 m/s. Η φλόγα είναι ένα μείγμα καμένου μεθανίου και αέρα και το υλικό αφύπνισης είναι καθαρός αέρας. Ο υπολογισμός χρησιμοποιεί ένα δομημένο πλέγμα και ο συνολικός αριθμός πλεγμάτων είναι περίπου 1.9 εκατομμύρια.

Η κατανομή του μέσου κλάσματος μάζας των διαφορετικών συστατικών κατά μήκος του άξονα φαίνεται στο Σχήμα 5. Οι οριζόντιες και κάθετες συντεταγμένες στο σχήμα είναι αδιάστατη απόσταση (D2 είναι η διάμετρος του σωλήνα εκτόξευσης) και αδιάστατο κλάσμα μάζας, αντίστοιχα. Από το σχήμα φαίνεται ότι η πρόβλεψη των κύριων συστατικών της διαδικασίας καύσης με τη μέθοδο VLES είναι γενικά σε καλή συμφωνία με τα πειραματικά αποτελέσματα. Η διάσπαρτη κατανομή της θερμοκρασίας σε διαφορετικές κατάντη θέσεις στον χώρο κλασμάτων μίγματος φαίνεται στο σχήμα 6. Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι η τάση διάσπαρτης κατανομής που προβλέπεται από τη μέθοδο VLES είναι βασικά συνεπής με τα πειραματικά αποτελέσματα και μόνο η υπολογισμένη ακραία τιμή θερμοκρασίας είναι ελαφρώς υψηλότερη από την πειραματική τιμή. Η κατανομή της στιγμιαίας συνάρτησης ελέγχου στροβιλισμού, θερμοκρασίας και ανάλυσης που υπολογίζεται από το VLES φαίνεται στο Σχήμα 7, όπου η συμπαγής γραμμή λαμβάνεται ως Zst=0.351. Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι η περιοχή πίδακα πυρήνα παρουσιάζει ισχυρούς τυρβώδεις παλμούς και καθώς το πεδίο ροής αναπτύσσεται προς τα κάτω, η κλίμακα της δομής του στροβίλου σταδιακά αυξάνεται. Όπως φαίνεται από το Σχήμα 7 (β) και (γ), στις περισσότερες περιοχές χημικής αντίδρασης, η συνάρτηση ελέγχου ανάλυσης είναι μεταξύ 0 και 1, υποδεικνύοντας ότι η τοπική ανάλυση πλέγματος μπορεί να συλλάβει μεγάλης κλίμακας αναταράξεις και να προσομοιώσει μόνο αναταράξεις μικρής κλίμακας μέσω του μοντέλου. Αυτή τη στιγμή, το VLES συμπεριφέρεται ως μια κατά προσέγγιση λειτουργία λύσης προσομοίωσης μεγάλου στροβιλισμού. Στο στρώμα διάτμησης πίδακα και στο εξωτερικό άκρο της κατάντη φλόγας, η συνάρτηση ελέγχου ανάλυσης είναι κοντά στο 1, υποδεικνύοντας ότι η κλίμακα κόλουρου φίλτρου του υπολογιστικού πλέγματος είναι μεγαλύτερη από την τοπική κλίμακα αναταράξεων. Αυτή τη στιγμή, το VLES συμπεριφέρεται ως μια ασταθής λειτουργία μέσης λύσης Reynolds. Συνοπτικά, μπορεί να φανεί ότι η μέθοδος VLES μπορεί να πραγματοποιήσει τον μετασχηματισμό πολλαπλών τρόπων λύσης στροβιλισμού σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά σε πραγματικό χρόνο της εξέλιξης της δομής της δίνης και μπορεί να προβλέψει με ακρίβεια τη διαδικασία ασταθούς καύσης σε τυρβώδεις φλόγες.

Προσομοίωση μεγάλων δίνων της πλήρους διαδικασίας ψεκασμού

Το μεγαλύτερο μέρος του καυσίμου που χρησιμοποιείται στον θάλαμο καύσης ενός κινητήρα αεροσκάφους είναι υγρό καύσιμο. Το υγρό καύσιμο εισέρχεται στον θάλαμο καύσης και υφίσταται διεργασίες πρωτογενούς και δευτερογενούς ψεκασμού. Υπάρχουν πολλές δυσκολίες στην προσομοίωση της πλήρους διαδικασίας ψεκασμού υγρού καυσίμου, συμπεριλαμβανομένης της σύλληψης της διαμόρφωσης διφασικής τοπολογικής διεπαφής αερίου-υγρού, της παραμόρφωσης και ρήξης της στήλης υγρού, της διάσπασης των ζωνών υγρού και των υγρών νημάτων σε σταγονίδια και της αλληλεπίδρασης μεταξύ τυρβώδους ροής και σταγονιδίων. Ο Huang Ziwei [19] ανέπτυξε ένα πλήρες μοντέλο προσομοίωσης διαδικασίας ψεκασμού βασισμένο στη μέθοδο VLES σε συνδυασμό με τη μέθοδο υπολογισμού υβριδικής ψεκασμού VOFDPM, πραγματοποιώντας την πλήρους διαδικασίας αριθμητική προσομοίωση της ψεκασμού καυσίμου από συνεχή υγρό σε διακριτά σταγονίδια.

Χρησιμοποιήθηκε ένα πρόσφατα αναπτυγμένο μοντέλο προσομοίωσης διαδικασίας ψεκασμού για τη διεξαγωγή αριθμητικών υπολογισμών υψηλής ακρίβειας της κλασικής διαδικασίας ψεκασμού στήλης υγρού πλευρικής ροής και έγινε λεπτομερής σύγκριση με τα πειραματικά αποτελέσματα στην ανοιχτή βιβλιογραφία [20] και τα αποτελέσματα υπολογισμού της προσομοίωσης μεγάλων δίνων [21]. Στο παράδειγμα υπολογισμού, η αέρια φάση είναι ο αέρας με ταχύτητες 77.89 και 110.0 m/s, αντίστοιχα, και η υγρή φάση είναι το υγρό νερό με ταχύτητα 8.6 m/s. Οι αντίστοιχοι αριθμοί Weber είναι 100 και 200, αντίστοιχα. Προκειμένου να προσομοιωθεί καλύτερα η δευτερογενής διαδικασία διάσπασης, το μοντέλο διάσπασης υιοθετεί το μοντέλο Kelvin-Helmholtz και Rayleigh-Taylor (KHRT).

Η πλήρης διαδικασία ψεκασμού που προβλέπεται από το VLES υπό τη συνθήκη Weber number 100 φαίνεται στο Σχήμα 8. Όπως φαίνεται από το σχήμα, σχηματίζεται ένα λεπτό φύλλο υγρής στήλης στην αρχική περιοχή και στη συνέχεια η στήλη υγρού διασπάται σε ζώνες υγρών και νημάτια υγρών και σπάει σε σταγονίδια υπό τη δράση αεροδυναμικής δύναμης και οι δευτερεύουσες σταγονίδια διασπώνται περαιτέρω σε μικρές σταγόνες. Η ταχύτητα ροής και η κατανομή στροβιλότητας που υπολογίζεται από το VLES υπό τον αριθμό Weber 100 παρουσιάζονται στο Σχήμα 9. Όπως φαίνεται από το σχήμα, υπάρχει μια τυπική ζώνη ανακυκλοφορίας χαμηλής ταχύτητας στην υπήνεμη πλευρά της στήλης υγρού. Μπορεί να βρεθεί από τη στιγμιαία κατανομή στροβιλισμού ότι η υπήνεμη πλευρά της στήλης υγρού παρουσιάζει ισχυρή δομή στροβιλισμού και η ισχυρή τυρβώδης κίνηση στη ζώνη ανακυκλοφορίας χαμηλής ταχύτητας συμβάλλει στη ρήξη του φύλλου στήλης υγρού και στο σχηματισμό σταγονιδίων.

Ο λόγος της αρχικής διαμέτρου πίδακα προς την ελάχιστη διάσταση ροής του πίδακα υγρού όταν η στήλη υγρού αρχίζει να διασπάται με διαφορετικούς αριθμούς Weber φαίνεται στο Σχήμα 10. Στο σχήμα, di είναι η ελάχιστη διάσταση ροής του πίδακα υγρού όταν η στήλη υγρού αρχίζει να διασπάται και D3 είναι η αρχική διάμετρος πίδακα υγρού. Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι τα αποτελέσματα υπολογισμού του VLES συμφωνούν καλά με τα πειραματικά αποτελέσματα, τα οποία είναι καλύτερα από τα αποτελέσματα υπολογισμού της προσομοίωσης μεγάλων δίνων στη βιβλιογραφία [21].

Αστάθεια καύσης Πολύ μεγάλη προσομοίωση δινυρών

Προκειμένου να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις χαμηλών εκπομπών, οι θάλαμοι καύσης πολιτικών αεροσκαφών σχεδιάζονται συνήθως με προαναμεμειγμένη ή μερικώς προαναμεμειγμένη άπαχη καύση. Ωστόσο, η άπαχη προαναμεμειγμένη καύση έχει κακή σταθερότητα και είναι επιρρεπής να διεγείρει τους τρόπους καύσης θερμοακουστικής συζευγμένης ταλάντωσης, οδηγώντας σε αστάθεια καύσης. Η αστάθεια της καύσης είναι εξαιρετικά καταστροφική και μπορεί να συνοδεύεται από προβλήματα όπως η αναδρομή στο παρελθόν και η παραμόρφωση του στερεού, που είναι ένα σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζει ο σχεδιασμός του θαλάμου καύσης.

Ο αριθμητικός υπολογισμός της αστάθειας καύσης μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες: μέθοδος αποσύνδεσης και μέθοδος άμεσης σύζευξης. Η μέθοδος πρόβλεψης αποσυνδεδεμένης αστάθειας καύσης αποσυνδέει τις ασταθείς λύσεις καύσης και ακουστικής. Η ασταθής καύση απαιτεί μεγάλο αριθμό αριθμητικών δειγμάτων υπολογισμού για τη δημιουργία μιας αξιόπιστης συνάρτησης περιγραφής φλόγας. Εάν χρησιμοποιείται η μέθοδος υπολογισμού της προσομοίωσης μεγάλων δίνων, η κατανάλωση υπολογιστικών πόρων της είναι πολύ μεγάλη. Η μέθοδος υπολογισμού άμεσης σύζευξης βασίζεται στη μέθοδο συμπιέσιμης λύσης και λαμβάνει άμεσα το αποτέλεσμα της αστάθειας καύσης μέσω ασταθούς υπολογισμού υψηλής ακρίβειας, δηλαδή η διαδικασία υπολογισμού ζεύξης ασταθούς καύσης και ακουστικής υπό δεδομένες συνθήκες εργασίας ολοκληρώνεται ταυτόχρονα στο ίδιο πλαίσιο υπολογισμού.

Στη μελέτη της αριθμητικής προσομοίωσης της αποσύνδεσης αστάθειας καύσης, οι Huang et al. [27] ανέπτυξε ένα μοντέλο υπολογισμού αστάθειας καύσης βασισμένο στη μέθοδο VLES σε συνδυασμό με τη μέθοδο υπολογισμού της πύκνωσης φλόγας και πέτυχε ακριβή πρόβλεψη της διαδικασίας ασταθούς καύσης υπό ακουστική διέγερση. Το παράδειγμα υπολογισμού είναι μια αμβλύ σώμα σταθερή φλόγα αιθυλενίου/αέρα πλήρως προαναμεμειγμένη από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, με λόγο ισοδυναμίας 0.55 και αριθμό Reynolds περίπου 17000. Η σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων υπολογισμού VLES και των πειραματικών αποτελεσμάτων της ασταθούς δυναμικής εξαγωγής φλόγας φαίνεται στο ακραίο 12. υπολογίσετε ότι κατά τη διαδικασία διέγερσης εισόδου, η φλόγα κυλάει στο εσωτερικό και το εξωτερικό στρώμα διάτμησης και εξελίσσεται σε ένα αντίθετα περιστρεφόμενο ζεύγος δίνης. Σε αυτή τη διαδικασία, η εξέλιξη του προφίλ φλόγας σε σχήμα μανιταριού συνεχίζει να αναπτύσσεται με την αλλαγή της γωνίας φάσης. Τα αποτελέσματα υπολογισμού VLES αναπαράγουν καλά τα χαρακτηριστικά εξέλιξης της φλόγας που παρατηρήθηκαν στο πείραμα. Η σύγκριση του πλάτους και της διαφοράς φάσης της απόκρισης του ρυθμού απελευθέρωσης θερμότητας υπό ακουστική διέγερση 160 Hz που λαμβάνεται με διαφορετικές μεθόδους υπολογισμού και πειραματικές μετρήσεις φαίνεται στο Σχήμα 13. Στο σχήμα, Q' και Q͂ είναι η παλλόμενη απελευθέρωση θερμότητας και η μέση απελευθέρωση θερμότητας της καύσης, αντίστοιχα, το Α είναι το πλάτος της ημιτονοειδούς ακουστικής διέγερσης και η τεταγμένη του Σχήματος 13 (β) είναι η διαφορά φάσης μεταξύ του σήματος παροδικής απελευθέρωσης θερμότητας της καύσης υπό ακουστική διέγερση και του σήματος διέγερσης της ταχύτητας εισόδου. Όπως φαίνεται από το σχήμα, η ακρίβεια πρόβλεψης της μεθόδου VLES είναι συγκρίσιμη με την ακρίβεια της προσομοίωσης μεγάλων δίνων [28] και αμφότερες είναι σε καλή συμφωνία με τις πειραματικές τιμές. Αν και η μη σταθερή μέθοδος RANS προβλέπει την τάση της μη γραμμικής απόκρισης, τα υπολογισμένα ποσοτικά αποτελέσματα αποκλίνουν πολύ από τις πειραματικές τιμές. Για τα αποτελέσματα της διαφοράς φάσης (Εικόνα 13 (β)), η τάση της διαφοράς φάσης που προβλέπεται από τη μέθοδο VLES με το πλάτος διαταραχής είναι βασικά συνεπής με τα πειραματικά αποτελέσματα, ενώ τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μεγάλων δίνων δεν προβλέπουν καλά την παραπάνω τάση.