Progreso de investigación sobre el rendimiento aerodinámico de la cámara de combustión de motores aeronáuticos basado en simulación de grandes eddies

Progreso de investigación sobre el rendimiento aerodinámico de la cámara de combustión de motores aeronáuticos basado en simulación de grandes eddies

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 del motor completo. Para cumplir con los requisitos técnicos cada vez más estrictos que el motor impone a la cámara de combustión, el modo de organización de la combustión y las características de flujo dentro de la cámara se han vuelto muy complejas. El proceso de desaceleración y presurización del difusor puede enfrentar separación de flujo bajo un gradiente de presión adverso fuerte; el flujo de aire pasa por un dispositivo de vórtice multi-etapa para formar una gran estructura de vórtice, lo que por un lado promueve la atomización y evaporación del combustible líquido y forma una mezcla altamente pulsante e inestable con el combustible, y por otro genera una llama estacionaria en la zona de recirculación aerodinámica; los chorros múltiples del orificio principal de combustión/mezcla interactúan con el flujo lateral en la carcasa de la llama para formar un par de vórtices contrarrotantes, lo que tiene una influencia importante en la mezcla turbulenta. Sobre la base del flujo, procesos físicos y químicos multi-escala como atomización y evaporación, mezcla, reacción química e interacción entre la turbulencia y la llama están fuertemente acoplados, lo que determina conjuntamente las características aerodinámicas de la cámara de combustión. La modelización y cálculo de alta precisión de estos procesos físicos y químicos siempre han sido un tema de investigación candente tanto en el ámbito nacional como internacional.

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 de flujo muestran pulsaciones aleatorias debido al proceso de convección no lineal. La turbulencia contiene muchas estructuras de vórtice. Las escalas de longitud y tiempo de diferentes vórtices son enormes, y a medida que aumenta el número de Reynolds, las diferencias entre las escalas aumentan bruscamente. Según la proporción de estructuras de vórtice turbulentas que se resuelven directamente, la simulación de turbulencia  los métodos se dividen en simulación numérica directa (DNS), ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds (RANS), simulación de gran eddy (LES) y métodos de simulación de turbulencia mixta. El método RANS, que es ampliamente utilizado en ingeniería, resuelve el campo medio turbulento y utiliza un modelo para simular toda la información de pulsación turbulenta. La cantidad de cálculo es pequeña, pero la precisión es baja. Para flujos con fuerte vorticidad y no estacionarios 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 utiliza para cálculos de combustión turbulentas en espacios sin restricciones con números de Reynolds medios y bajos. Debido a la pequeña escala de la turbulencia en el área cercana a la pared de la cámara de combustión y al alto número de Reynolds del flujo, la cantidad de mallas requerida para el cálculo LES de una sola cabeza de la cámara de combustión solo está en cientos de millones a miles de millones. Tal alto consumo de recursos computacionales limita el uso generalizado de LES en simulaciones de cámaras de combustión.

La creación de modelos y métodos de cálculo de alta precisión basados en los marcos de la Simulación de Muy Grandes Estructuras (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 baja eficiencia computacional causado por la restricción de coincidencia entre la escala de filtrado de la malla y la escala de turbulencia en el LES tradicional, y logra la modelización acoplada entre las características multiscale de la turbulencia, las características de evolución transitoria y la resolución de la malla. Además, VLES ajusta adaptativamente la proporción entre la solución de la turbulencia y la modelización basada en las características de tiempo real de la evolución de la estructura de vórtice, reduciendo significativamente los costos computacionales mientras asegura la precisión del cálculo.

No obstante, en comparación con la LES tradicional, la teoría y las características de la VLES no han sido ampliamente estudiadas ni utilizadas. Este artículo introduce sistemáticamente la teoría de modelado de VLES y sus efectos de aplicación en varios escenarios físicos relacionados con cámaras de combustión, promoviendo la aplicación a gran escala de la VLES en el campo de la simulación de cámaras de combustión de motores aeronáuticos.

Método de Simulación de Estructuras Grandes

Se muestra la influencia de los métodos de simulación de turbulencia en el consumo de recursos de cómputo y modelos en la Figura 1. Los métodos RANS, LES y VLES todos logran la simulación del flujo a través del modelado de turbulencia. Se debe tener en cuenta que la definición más temprana y clara de VLES fue dada por Pope, quien se refiere a "la escala de la malla 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 malla 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 introducido 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, híbrido RANS/LES, LES y DNS en orden de precisión de cálculo. Bajo el nuevo marco de modelo, los modos de turbulencia se dividen en RANS, VLES y DNS en orden de precisión de cálculo. Es decir, el método VLES realiza la unificación de múltiples modos de turbulencia tradicionales, y diferentes modelos transitan y convierten suavemente de manera adaptativa según las características locales en los cálculos reales.

Simulación de procesos físicos típicos en la cámara de combustión

Muy Grande Simulación de Vórtices de Flujo con Fuerte Remolino

La cámara de combustión de un motor de avión generalmente adopta formas de organización del campo de flujo como remolino múltiple y fuerte remolino. El flujo de remolino es la forma de flujo más básica en la cámara de combustión. Dado que el remolino es dominante tanto en la dirección de flujo como en la dirección tangencial, la fluctuación turbulenta del remolino tiene una anisotropía más fuerte que los flujos tradicionales de tubo, canal y 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 con fuerte remolino en el tubo; Dellenback et al. [14] realizaron experimentos de campo de flujo sobre 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 vorticidad es 1.23. Se utilizan dos conjuntos de mallas estructuradas en el cálculo. El número total de mallas dispersas (M1) es de aproximadamente 900,000 y el número total de mallas cifradas (M2) es de aproximadamente 5.1 millones. Los resultados de los momentos estadísticos obtenidos por cálculo se comparan aún más con los resultados experimentales para verificar la precisión del cálculo del método VLES.

La comparación de los resultados del cálculo de diferentes métodos y los resultados experimentales de la distribución radial de la velocidad media circunferencial y la velocidad fluctuante en diferentes posiciones aguas abajo bajo un flujo fuertemente giratorio 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 tipo Rankin que gradualmente se transfiere a un vórtice de cuerpo rígido simple. Al comparar los resultados del cálculo y los experimentos, se puede encontrar que el método VLES tiene una alta precisión de cálculo para la predicción de la velocidad circunferencial de flujo fuertemente giratorio, estando en buena acuerdo con la distribución de las mediciones experimentales. El método RANS tradicional tiene una desviación muy grande en el cálculo del flujo giratorio y no puede predecir correctamente la evolución espacial del campo de flujo giratorio y la fluctuación turbulenta. En comparación, el método VLES tiene una alta precisión en la predicción del campo de velocidad media, el campo de velocidad fluctuante y la evolución espacial bajo un fuerte flujo giratorio complejo, y aún puede garantizar una alta precisión de cálculo incluso con una resolución de malla relativamente dispersa. Para la predicción de la velocidad media circunferencial, los resultados del cálculo del método VLES son básicamente consistentes en dos conjuntos de resoluciones de malla dispersa y densa.

Simulación de Gran Eddy de Combustión Turbulenta

Con el fin de estudiar la viabilidad del método VLES en la predicción de problemas de combustión turbulentos [15-16], se desarrolló un modelo de combustión turbulenta basado en el método VLES acoplado con los manifolds generados por flamas (FGM). La idea básica es asumir que la llama turbulenta tiene localmente una estructura de llama laminar unidimensional, y que la superficie de la llama turbulenta es el promedio conjunto de una serie de superficies de llamas laminares. Por lo tanto, el espacio de componentes de alta dimensión puede ser mapeado a un patrón de flujo de baja dimensión compuesto por 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 que deben resolverse se reduce considerablemente, lo que reduce significativamente el costo computacional.

El proceso de implementación específico consiste en construir la tabla de datos laminar FGM basada en la fracción de mezcla y las variables de progreso de la reacción, considerar la interacción entre la combustión turbulenta asumiendo el método de función de densidad de probabilidad para integrar la tabla de datos laminar 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 la reacción y la varianza correspondiente, y se obtiene la información del campo de combustión 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 realizaron comparaciones cuantitativas con los datos de medición experimental. El material combustible del ejemplo de la Llama D de Sandia (número de Reynolds 22400) es una mezcla completa de metano y aire con una relación volumétrica de 1:3, la velocidad de entrada del combustible es de aproximadamente 49.9 m/s, y la velocidad de la estela es de aproximadamente 11.4 m/s. La llama principal es una mezcla de metano quemado y aire, y el material de la estela es aire puro. El cálculo utiliza una malla estructurada, y el número total de mallas es de aproximadamente 1.9 millones.

La distribución de la fracción promedio de masa 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 entrada de chorro) y la fracción adimensional de masa, respectivamente. Se puede ver en la figura que la predicción de los principales componentes del proceso de combustión por el método VLES está en general en buen acuerdo con los resultados experimentales. La distribución dispersa de la temperatura en diferentes posiciones aguas abajo en el espacio de la 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 calculado de la temperatura es ligeramente mayor 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 de 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 malla local puede capturar la turbulencia a gran escala y solo simular la turbulencia a pequeña escala mediante el modelo. En este caso, VLES se comporta como un modo de solución de simulación de grandes eddies aproximado. En la capa de cizallamiento del chorro y el borde exterior de la llama aguas abajo, la función de control de resolución es cercana a 1, lo que indica que la escala de filtro truncado de la malla computacional es mayor que la escala de turbulencia local. En este caso, 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 según las características en tiempo real de la evolución de la estructura de vórtice, y puede predecir con precisión el proceso de combustión inestable en llamas turbulentas.

Simulación de gran涡de la completa proceso de atomización

La mayor parte del combustible utilizado en la cámara de combustión de un motor de avión es combustible líquido. El combustible líquido entra en la cámara de combustión y pasa por procesos de atomización primaria y secundaria. Existen muchas dificultades en la simulación del proceso completo de atomización del combustible líquido, incluida la captura de la configuración de interfaz topológica de dos fases gas-líquido, la deformación y ruptura de la columna líquida, la evolución de la fragmentación de bandas y filamentos líquidos en gotas, y la interacción entre el flujo turbulento y las gotas. Huang Ziwei [19] desarrolló un modelo de simulación del proceso completo de atomización basado en el método VLES acoplado con el método de cálculo de atomización híbrida VOF-DPM, logrando la simulación numérica de todo el proceso de atomización del combustible desde el líquido continuo hasta las gotas discretas.

Un modelo de simulación de proceso de atomización desarrollado recientemente se utilizó para realizar cálculos numéricos de alta precisión del proceso clásico de atomización de columna de líquido en flujo lateral, y se realizó una comparación detallada con los resultados experimentales en la literatura abierta [20] y los resultados de cálculo de simulación de gran eddy [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 con una velocidad de 8,6 m/s. Los números de Weber correspondientes son 100 y 200, respectivamente. Con el fin de simular mejor el proceso de ruptura secundaria, el modelo de ruptura utiliza el modelo Kelvin-Helmholtz y Rayleigh-Taylor (KHRT).

El proceso completo de atomización 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 lámina delgada de columna líquida en el área inicial, y luego la columna líquida se rompe en bandas y filamentos líquidos, y se fragmenta en gotas bajo la acción de la fuerza aerodinámica, y las gotas se rompen aún más en gotas más pequeñas a través de un segundo proceso de ruptura. La distribución de la velocidad del chorro y la vorticidad transversal calculadas por VLES bajo la condición del número de Weber 100 se muestra en la Figura 9. Como se puede ver en la figura, hay una zona típica de recirculación a baja velocidad en el lado aguas abajo de la columna líquida. Se puede observar a partir de la distribución instantánea de vorticidad que el lado aguas abajo de la columna líquida presenta una estructura de vórtice fuerte, y el movimiento turbulento fuerte en la zona de recirculación a baja velocidad contribuye a la ruptura de la lámina de la columna líquida y a la formación de gotas.

La relación entre el diámetro inicial del chorro y la dimensión mínima de flujo del chorro líquido cuando la columna líquida comienza a romperse bajo diferentes números de Weber se muestra en la Figura 10. En la figura, di es la dimensión mínima de flujo del chorro líquido cuando la columna líquida comienza a romperse, y D3 es el diámetro inicial del chorro líquido. Se puede ver en la figura que los resultados de los cálculos VLES están en buen acuerdo con los resultados experimentales, siendo mejores que los resultados de los cálculos de simulación de gran eddy en la literatura [21].

Inestabilidad de Combustión Simulación de Muy Grandes Eddies

Para cumplir con los requisitos de bajas emisiones, las cámaras de combustión de los aviones civiles suelen diseñarse con combustión pobre premezclada o parcialmente premezclada. Sin embargo, la combustión pobre premezclada tiene una estabilidad deficiente y tiende a excitar modos de combustión oscilatorios acoplados termoacústicos, lo que lleva 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 (flashback) y la deformación sólida, lo cual es un problema destacado al que se enfrenta el diseño de las cámaras de combustión.

El cálculo numérico de la inestabilidad de combustión se puede dividir en dos categorías: método de desacoplamiento y método de acoplamiento directo. El método de predicción de inestabilidad de combustión desacoplado separa las soluciones de la combustión no estable y la acústica. La combustión no estable requiere un gran número de muestras de cálculo numérico para construir una función de descripción de llama confiable. Si se utiliza el método de simulación de grandes eddies, su consumo de recursos de cómputo 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 no estable de alta precisión, es decir, el proceso de cálculo de acoplamiento de la combustión no estable y la acústica bajo condiciones de trabajo dadas se completa de una vez dentro del mismo marco de cálculo.

En el estudio de la simulación numérica del desacoplamiento de la inestabilidad de combustión, Huang et al. [27] desarrollaron un modelo de cálculo de inestabilidad de combustión basado en el método VLES acoplado con el método de cálculo de llama engrosada, y lograron una predicción precisa del proceso de combustión inestable bajo excitación acústica. El ejemplo de cálculo es una llama de etileno/aire completamente precalentada desarrollada por la Universidad de Cambridge, con un índice 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 observar en la figura que durante el proceso de excitación de entrada, la llama se enrolla en las capas de cizallamiento interiores y exteriores y evoluciona en un par de vórtices contrarrotantes. En este proceso, la evolución del perfil de llama en forma de champiñón 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 excitación acústica de 160 Hz obtenida por diferentes métodos de cálculo y mediciones experimentales se muestra en la Figura 13. En la figura, Q' y Q ͂ son, respectivamente, la liberación de calor pulsante y la liberación promedio de calor de la combustión, 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 transitoria de liberación de calor 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 gran eddy [28], y ambos están en buen acuerdo con los valores experimentales. Aunque el método RANS no establecido predice la tendencia de la respuesta no lineal, los resultados cuantitativos calculados difieren mucho de los valores experimentales. Para los resultados de la diferencia de fase (Figura 13 (b)), la tendencia de la diferencia de fase predicha por el método VLES con la amplitud de perturbación es básicamente consistente con los resultados experimentales, mientras que los resultados de la simulación de gran eddy no predicen bien la mencionada tendencia.