Avances en la investigación sobre el rendimiento aerodinámico de la cámara de combustión de un motor de avión basado en la simulación de grandes remolinos

Avances en la investigación sobre el rendimiento aerodinámico de la cámara de combustión de un motor de avión basado en la simulación de grandes remolinos

La cámara de combustión es uno de los componentes principales de un motor de avión, y el rendimiento aerodinámico de la cámara de combustión desempeña un papel vital en el rendimiento de todo el motor. Para cumplir con los requisitos técnicos cada vez más estrictos del motor para la cámara de combustión, el modo de organización de la combustión y las características del flujo dentro de la cámara de combustión se han vuelto muy complejos. El proceso de desaceleración y presurización del difusor puede enfrentar la separación del flujo bajo un fuerte gradiente de presión adverso; el flujo de aire pasa a través de un dispositivo de remolino de múltiples etapas para formar una estructura de vórtice a gran escala, que por un lado promueve la atomización y evaporación del combustible líquido y forma una mezcla inestable y fuertemente pulsante con el combustible, y por otro lado genera una llama estacionaria en la zona de recirculación aerodinámica; los múltiples chorros del orificio principal de combustión/mezcla interactúan con el flujo lateral en el tubo de llama para formar un par de vórtices contrarrotativos, que tiene una influencia importante en la mezcla turbulenta. Sobre la base del flujo, los procesos físicos y químicos de múltiples escalas, como la atomización y la evaporación, la mezcla, la reacción química y la interacción entre la turbulencia y la llama, están fuertemente acoplados, lo que determina conjuntamente las características aerodinámicas de la cámara de combustión. El modelado y el cálculo de alta precisión de estos procesos físicos y químicos siempre han sido un tema de investigación candente en el país y en el extranjero.

Los procesos de atomización, evaporación, mezcla y combustión en la cámara de combustión se desarrollan y evolucionan en un entorno de flujo turbulento, por lo que el flujo es la base para la simulación del rendimiento aerodinámico de la cámara de combustión. La característica básica de la turbulencia es que los parámetros del flujo muestran pulsaciones aleatorias debido al proceso de convección no lineal. La turbulencia contiene muchas estructuras de vórtices. Las distancias de los diferentes vórtices en longitud y escalas de tiempo son enormes, y a medida que aumenta el número de Reynolds, las distancias entre escalas aumentan drásticamente. Según la proporción de estructuras de vórtices turbulentos que se resuelvan directamente, la simulación de turbulencias Los métodos se dividen en simulación numérica directa (DNS), simulación de Navier-Stokes promediada por Reynolds (RANS), simulación de grandes remolinos (LES) y métodos de simulación de turbulencia mixta. El método RANS, que se usa ampliamente en ingeniería, resuelve el campo medio turbulento y usa un modelo para simular toda la información de pulsación turbulenta. La cantidad de cálculo es pequeña, pero la precisión es pobre. Para procesos de flujo inestable y de remolinos fuertes en la cámara de combustión, RANS no puede cumplir con los requisitos de diseño refinado. Pitsch señaló que la complejidad computacional de LES está entre RANS y DNS, y actualmente se usa para cálculos de combustión turbulenta en espacios sin restricciones con números de Reynolds medios y bajos. Debido a la pequeña escala de turbulencia en el área cercana a la pared de la cámara de combustión y al alto número de Reynolds del flujo, la cantidad de cuadrículas requeridas para el cálculo LES de una sola cabeza de la cámara de combustión solo es de cientos de millones a miles de millones. Un consumo tan elevado de recursos computacionales limita el uso generalizado de LES en simulaciones de cámaras de combustión.

El establecimiento de modelos y métodos de cálculo de alta precisión basados ​​en los marcos de simulación de vórtices muy grandes (VLES) y el método híbrido RANS-LES es una tendencia importante en la simulación numérica. El método VLES desarrollado por Han et al. resuelve el problema de la baja eficiencia computacional causada por el filtrado de la escala de la cuadrícula y la resolución de las restricciones de coincidencia de la escala de turbulencia en LES tradicional, y realiza un modelado de acoplamiento entre las características de múltiples escalas de turbulencia, las características de evolución transitoria y la resolución de la cuadrícula. , VLES ajusta de forma adaptativa la relación entre la solución de turbulencia y el modelado del modelo en función de las características en tiempo real de la evolución de la estructura del vórtice, lo que reduce significativamente los costos computacionales al tiempo que garantiza la precisión del cálculo.

Sin embargo, en comparación con los LES tradicionales, la teoría y las características de los VLES no se han estudiado ni utilizado ampliamente. Este artículo presenta sistemáticamente la teoría de modelado de VLES y sus efectos de aplicación en varios escenarios físicos relacionados con las cámaras de combustión, promoviendo la aplicación a gran escala de VLES en el campo de la simulación de cámaras de combustión de motores de aeronaves.

Método de simulación de grandes remolinos

La influencia de los métodos de simulación de turbulencia en el consumo de recursos y modelos computacionales se muestra en la Figura 1. Los métodos RANS, LES y VLES logran la simulación de flujo a través del modelado de turbulencia. Cabe señalar que la primera definición clara de VLES fue dada por Pope, que se refiere a "la escala de la cuadrícula computacional es demasiado gruesa para que la energía cinética turbulenta resuelta directamente sea menor al 80% de la energía cinética turbulenta total". Al mismo tiempo, el significado de LES dado por Pope [6] es "la cuadrícula computacional es muy fina para que la energía cinética turbulenta resuelta directamente sea mayor al 80% de la energía cinética turbulenta total". Sin embargo, debe notarse que el VLES presentado en este artículo es un nuevo método computacional que ha sido remodelado y desarrollado sobre la base del método anterior. Aunque los nombres son los mismos, el nuevo método VLES es esencialmente diferente del método VLES definido por Pope. Como se puede ver en la figura, los modos de turbulencia tradicionales son RANS, URANS, RANS/LES híbrido, LES y DNS en orden de precisión de cálculo. En el nuevo marco del modelo, los modos de turbulencia se dividen en RANS, VLES y DNS en orden de precisión de cálculo. Es decir, el método VLES logra la unificación de múltiples modos de turbulencia tradicionales y los diferentes modelos realizan una transición y conversión adaptativas de manera suave según las características locales en los cálculos reales.

Simulación de procesos físicos típicos en la cámara de combustión.

Simulación de un remolino muy grande de flujo fuerte

La cámara de combustión de un motor de avión suele adoptar formas de organización de campo de flujo, como remolino de múltiples etapas y remolino fuerte. El flujo en remolino es la forma de flujo más básica en la cámara de combustión. Dado que el remolino es dominante tanto en la dirección del flujo como en la dirección tangencial, la pulsación turbulenta del remolino tiene una anisotropía más fuerte que el flujo tradicional en tuberías, el flujo en canal y el flujo en chorro. Por lo tanto, la simulación numérica del remolino plantea un gran desafío para el método de simulación de turbulencia. Xia et al. utilizaron el método VLES para calcular el ejemplo clásico de flujo en remolino fuerte en el tubo; Dellenback et al. [14] realizaron experimentos de campo de flujo en este ejemplo y tienen datos experimentales detallados. El número de Reynolds del flujo del ejemplo calculado es 1.0×105 (basado en el diámetro del tubo circular) y el número de remolinos es 1.23. Se utilizan dos conjuntos de cuadrículas estructuradas en el cálculo. El número total de cuadrículas dispersas (M1) es de aproximadamente 900,000 y el número total de cuadrículas cifradas (M2) es de aproximadamente 5.1 millones. Los resultados del momento estadístico obtenidos mediante el cálculo se comparan además con los resultados experimentales para verificar la precisión del cálculo del método VLES.

La comparación de los resultados de cálculo de diferentes métodos y los resultados experimentales de la distribución radial de la velocidad media circunferencial y la velocidad pulsante en diferentes posiciones aguas abajo bajo un fuerte flujo arremolinado se muestra en la Figura 4. En la figura, las coordenadas horizontales y verticales son la distancia adimensional y la velocidad adimensional, respectivamente, donde D1 es el diámetro de la tubería circular de entrada y Uin es la velocidad media de entrada. Como se puede ver en la figura, el campo de flujo muestra un vórtice compuesto típico de tipo Rankin que pasa gradualmente a un único vórtice de cuerpo rígido. Al comparar los resultados de cálculo y experimentales, se puede encontrar que el método VLES tiene una alta precisión de cálculo para la predicción de la velocidad circunferencial del fuerte flujo arremolinado, lo que concuerda bien con la distribución de las mediciones experimentales. El método RANS tradicional tiene una desviación muy grande en el cálculo del flujo arremolinado y no puede predecir correctamente la evolución espacial del campo de flujo arremolinado y la pulsación turbulenta. En comparación, el método VLES tiene una precisión muy alta en la predicción del campo de velocidad promedio, el campo de velocidad pulsante y la evolución espacial bajo un flujo arremolinado fuerte y complejo, y aún puede garantizar una alta precisión de cálculo incluso con una resolución de cuadrícula relativamente escasa. Para la predicción de la velocidad promedio circunferencial, los resultados del cálculo del método VLES son básicamente consistentes en dos conjuntos de resoluciones de cuadrícula densa y escasa.

Simulación de combustión turbulenta mediante grandes remolinos

Para estudiar la viabilidad del método VLES en la predicción de problemas de combustión turbulenta [15-16], se desarrolló un modelo de combustión turbulenta basado en el método VLES acoplado con los colectores generados por flamas pequeñas (FGM). La idea básica es suponer que la llama turbulenta tiene una estructura de llama laminar unidimensional localmente, y la superficie de la llama turbulenta es el promedio del conjunto de una serie de superficies de llama laminar. Por lo tanto, el espacio de componentes de alta dimensión se puede mapear a un patrón de flujo de baja dimensión compuesto de varias variables características (fracción de mezcla, variable de progreso de reacción, etc.). Bajo la condición de considerar el mecanismo de reacción detallado, el número de ecuaciones de transporte a resolver se reduce en gran medida, lo que reduce significativamente el costo computacional.

El proceso de implementación específico consiste en construir la tabla de datos laminares de FGM en base a las variables de fracción de mezcla y progreso de reacción, considerar la interacción entre la combustión turbulenta asumiendo el método de función de densidad de probabilidad para integrar la tabla de datos laminares y así obtener la tabla de datos turbulentos. En el cálculo numérico, se resuelven las ecuaciones de transporte de la fracción de mezcla, las variables de progreso de reacción y la varianza correspondiente, y la información del campo de combustión se obtiene consultando la tabla de datos turbulentos.

El modelo de combustión turbulenta basado en VLES y FGM se utilizó para realizar cálculos numéricos sobre la llama de chorro turbulento de metano/aire (Flame D) medida por el laboratorio Sandia en los Estados Unidos, y se hicieron comparaciones cuantitativas con los datos de medición experimental. El material combustible del ejemplo de Sandia Flame D (el número de Reynolds es 22400) es una mezcla completa de metano y aire con una relación de volumen de 1:3, la velocidad de entrada de combustible es de aproximadamente 49.9 m/s y la velocidad de estela es de aproximadamente 11.4 m/s. La llama de servicio es una mezcla de metano quemado y aire, y el material de estela es aire puro. El cálculo utiliza una cuadrícula estructurada y el número total de cuadrículas es de aproximadamente 1.9 millones.

La distribución de la fracción de masa promedio de diferentes componentes a lo largo del eje se muestra en la Figura 5. Las coordenadas horizontales y verticales en la figura son la distancia adimensional (D2 es el diámetro del tubo de chorro de entrada) y la fracción de masa adimensional, respectivamente. Se puede ver en la figura que la predicción de los componentes principales del proceso de combustión por el método VLES generalmente concuerda bien con los resultados experimentales. La distribución dispersa de la temperatura en diferentes posiciones aguas abajo en el espacio de fracción de mezcla se muestra en la Figura 6. Se puede ver en la figura que la tendencia de distribución dispersa predicha por el método VLES es básicamente consistente con los resultados experimentales, y solo el valor extremo de temperatura calculado es ligeramente más alto que el valor experimental. La distribución de la vorticidad instantánea, la temperatura y la función de control de resolución calculada por VLES se muestra en la Figura 7, donde la línea sólida se toma como Zst = 0.351. Se puede ver en la figura que el área del chorro central exhibe una fuerte pulsación turbulenta y, a medida que el campo de flujo se desarrolla aguas abajo, la escala de la estructura del vórtice aumenta gradualmente. Como se puede ver en la Figura 7 (b) y (c), en la mayoría de las áreas de reacción química, la función de control de resolución está entre 0 y 1, lo que indica que la resolución de la cuadrícula local puede capturar turbulencia a gran escala y solo simular turbulencia a pequeña escala a través del modelo. En este momento, VLES se comporta como un modo de solución de simulación de remolinos grandes aproximado. En la capa de cizallamiento del chorro y el borde exterior de la llama aguas abajo, la función de control de resolución está cerca de 1, lo que indica que la escala de filtro truncada de la cuadrícula computacional es mayor que la escala de turbulencia local. En este momento, VLES se comporta como un modo de solución de promedio de Reynolds inestable. En resumen, se puede ver que el método VLES puede realizar la transformación de múltiples modos de solución de turbulencia de acuerdo con las características en tiempo real de la evolución de la estructura del vórtice, y puede predecir con precisión el proceso de combustión inestable en llamas turbulentas.

Simulación de grandes remolinos del proceso completo de atomización.

La mayor parte del combustible utilizado en la cámara de combustión de un motor de avión es combustible líquido. El combustible líquido ingresa a la cámara de combustión y experimenta procesos de atomización primaria y secundaria. Existen muchas dificultades para simular el proceso completo de atomización del combustible líquido, incluida la captura de la configuración de la interfaz topológica de dos fases gas-líquido, la deformación y ruptura de la columna de líquido, la evolución de la ruptura de las bandas de líquido y los filamentos de líquido en gotas, y la interacción entre el flujo turbulento y las gotas. Huang Ziwei [19] desarrolló un modelo de simulación del proceso de atomización completo basado en el método VLES acoplado con el método de cálculo de atomización híbrido VOFDPM, realizando la simulación numérica de proceso completo de atomización de combustible desde líquido continuo a gotas discretas.

Se utilizó un modelo de simulación del proceso de atomización recientemente desarrollado para realizar cálculos numéricos de alta precisión del clásico proceso de atomización de columna de líquido de flujo lateral, y se realizó una comparación detallada con los resultados experimentales en la literatura abierta [20] y los resultados del cálculo de simulación de grandes remolinos [21]. En el ejemplo de cálculo, la fase gaseosa es aire con velocidades de 77.89 y 110.0 m/s, respectivamente, y la fase líquida es agua líquida con una velocidad de 8.6 m/s. Los números de Weber correspondientes son 100 y 200, respectivamente. Para simular mejor el proceso de ruptura secundaria, el modelo de ruptura adopta el modelo Kelvin-Helmholtz y Rayleigh-Taylor (KHRT).

El proceso de atomización completo predicho por VLES bajo la condición del número de Weber 100 se muestra en la Figura 8. Como se puede ver en la figura, se forma una fina capa de columna de líquido en el área inicial, y luego la columna de líquido se rompe en bandas de líquido y filamentos de líquido, y se rompe en gotitas bajo la acción de la fuerza aerodinámica, y las gotitas se rompen aún más en gotitas más pequeñas a través de la ruptura secundaria. La velocidad de la corriente y la distribución de vorticidad transversal calculadas por VLES bajo la condición del número de Weber 100 se muestran en la Figura 9. Como se puede ver en la figura, hay una zona de recirculación de baja velocidad típica en el lado de sotavento de la columna de líquido. Se puede encontrar a partir de la distribución de vorticidad instantánea que el lado de sotavento de la columna de líquido exhibe una fuerte estructura de vórtice, y el fuerte movimiento turbulento en la zona de recirculación de baja velocidad contribuye a la ruptura de la capa de la columna de líquido y la formación de gotitas.

La relación entre el diámetro inicial del chorro y la dimensión mínima del flujo del chorro de líquido cuando la columna de líquido comienza a romperse bajo diferentes números de Weber se muestra en la Figura 10. En la figura, di es la dimensión mínima del flujo del chorro de líquido cuando la columna de líquido comienza a romperse, y D3 es el diámetro inicial del chorro de líquido. Se puede ver en la figura que los resultados del cálculo de VLES concuerdan bien con los resultados experimentales, que son mejores que los resultados del cálculo de simulación de remolinos grandes en la literatura [21].

Simulación de remolinos muy grandes en caso de inestabilidad de la combustión

Para cumplir con los requisitos de bajas emisiones, las cámaras de combustión de las aeronaves civiles suelen diseñarse con una combustión pobre premezclada o parcialmente premezclada. Sin embargo, la combustión pobre premezclada tiene poca estabilidad y es propensa a excitar modos de combustión de oscilación acoplada termoacústica, lo que conduce a la inestabilidad de la combustión. La inestabilidad de la combustión es altamente destructiva y puede ir acompañada de problemas como el retroceso de la llama y la deformación de los sólidos, que es un problema importante al que se enfrenta el diseño de cámaras de combustión.

El cálculo numérico de la inestabilidad de la combustión se puede dividir en dos categorías: método de desacoplamiento y método de acoplamiento directo. El método de predicción de la inestabilidad de la combustión desacoplada desacopla las soluciones de combustión inestable y acústica. La combustión inestable requiere una gran cantidad de muestras de cálculo numérico para construir una función de descripción de llama confiable. Si se utiliza el método de cálculo de simulación de grandes remolinos, su consumo de recursos computacionales es demasiado grande. El método de cálculo de acoplamiento directo se basa en el método de solución compresible y obtiene directamente el resultado de la inestabilidad de la combustión a través de un cálculo inestable de alta precisión, es decir, el proceso de cálculo de acoplamiento de la combustión inestable y la acústica en condiciones de trabajo dadas se completa de una sola vez dentro del mismo marco de cálculo.

En el estudio de la simulación numérica del desacoplamiento de la inestabilidad de la combustión, Huang et al. [27] desarrollaron un modelo de cálculo de la inestabilidad de la combustión basado en el método VLES acoplado con el método de cálculo de la llama espesante, y lograron una predicción precisa del proceso de combustión inestable bajo excitación acústica. El ejemplo de cálculo es una llama estacionaria de cuerpo romo de etileno/aire completamente premezclada desarrollada por la Universidad de Cambridge, con una relación de equivalencia de 0.55 y un número de Reynolds de aproximadamente 17000. La comparación entre los resultados del cálculo VLES y los resultados experimentales de las características dinámicas de la llama inestable bajo excitación acústica se muestra en la Figura 12. Se puede ver en la figura que durante el proceso de excitación de entrada, la llama gira en las capas de corte interna y externa y evoluciona en un par de vórtices contrarrotativos. En este proceso, la evolución del perfil de llama en forma de hongo continúa desarrollándose con el cambio del ángulo de fase. Los resultados del cálculo VLES reproducen bien las características de evolución de la llama observadas en el experimento. La comparación de la amplitud y la diferencia de fase de la respuesta de la tasa de liberación de calor bajo una excitación acústica de 160 Hz obtenida mediante diferentes métodos de cálculo y mediciones experimentales se muestra en la Figura 13. En la figura, Q' y Q͂ son la liberación de calor pulsante y la liberación de calor promedio de la combustión, respectivamente, A es la amplitud de la excitación acústica sinusoidal, y la ordenada de la Figura 13 (b) es la diferencia de fase entre la señal de liberación de calor transitoria de la combustión bajo excitación acústica y la señal de excitación de velocidad de entrada. Como se puede ver en la figura, la precisión de predicción del método VLES es comparable a la precisión de la simulación de grandes remolinos [28], y ambos concuerdan bien con los valores experimentales. Aunque el método RANS inestable predice la tendencia de la respuesta no lineal, los resultados cuantitativos calculados se desvían en gran medida de los valores experimentales. Para los resultados de diferencia de fase (Figura 13 (b)), la tendencia de la diferencia de fase predicha por el método VLES con la amplitud de la perturbación es básicamente consistente con los resultados experimentales, mientras que los resultados de la simulación de grandes remolinos no predicen bien la tendencia anterior.