Uurimised turbulentsi põhjal tehtud suureste eddude simulatsioonide alusel lendekonna mootori küttesaali aerodünaamilise jõudluse kohta

Uurimised turbulentsi põhjal tehtud suureste eddude simulatsioonide alusel lendekonna mootori küttesaali aerodünaamilise jõudluse kohta

Põlevkonnakamra on üks peamisi komponente lennukimootoriga, ja põlevkonnakamra aerodünaamiline jõudlus mängib olulist rolli kogu mootori toimimises. Et rahuldada motoori poolt põlevkonnakamrale antud üha rangemaid tehnilisi nõudeid, on põlevkonna organiseerimise viis ja kamra sisemised voolumustrid muutunud eriti keeruleks. Difusori aeglustumis- ja painekasvuprotsess võib silmapaistva vastase painekiirdu alla jäädes tekkitada voolueraldust; õhku juhib mitmest kergetoormechanismist läbi, mis moodustab suuremahulise ujumustruktuuri, mis omakorda edendab vedelkütuse atomiseerimist ja evaporeerimist ning moodustab tugevalt pulssivat, mittestabiilset segu kütusega, samal ajal kui genereerib aerodünaamilises tagasiloomispiirkonnas seatud leibu; peamiste põlev-/seguauetega sidusid voolusid interaktseeruvad flammitubiga horisontaalse vooluga, et moodustada vastaspoorsetes ujude paari, mis mängib olulist rolli turbuleentse segumise protsessides. Voolu alusel toimuvad mitmesugused füüsikalised ja keemilised protsessid, nagu atomiseerimine ja evaporeerimine, sege, keemiline reaktsioon ja turbulentsuse ja leibu vaheline interaktsioon, on tugevalt sidusad ning need ühiselt määravad põlevkonnakamra aerodünaamilised omadused. Nende füüsika- ja keemiprotsesside täpsed mudelid ja arvutused on alates alaja domesticides ja välismaal uurimise populaarsed teemad.

Atomiseerimis-, evaporeerimis-, segamis- ja kandeprotsessid kandekambrites arenevad ja evolutsioneerivad turbulentse voolu keskkonnas, seega on vool alus kandekambri aerodünaamilise jõudluse simuleerimiseks. Turbulentsuse põhilisegi omadus on see, et vooluparameetrid näitavad juhuslikku pulssatsiooni mittelineaarsete konveksioprotsesside tõttu. Turbulentsuses sisaldub palju vorrtstruktuure. Erinevate vorbade ulatused pikkus- ja aegastikumahes on immensed ning need suureneda kiiresti kaasa Reynolds' numbri tõusu. Turbulentsuse vorrstruktuuride suhtelistest osakaaludest sõltub turbulentsuse simuleerimine.  meetodid jagunevad direktsesse numbrilisse simuleerimisse (DNS), Reynolds-i keskmistatud Navier-Stokes'i võrranditele (RANS), suurte eddide simuleerimisele (LES) ja segasimulatsioonimeetoditele. RANS meetod, mis on laialdaselt kasutusel insenerikus, lahendab turbuulsuse keskvälja ja kasutab mudelit kõigi turbuulse pulssatsioonivastavate andmete simuleerimiseks. Arvutustöö on väike, kuid täpsus on halb. Tugeva keruvuse ja ebastabiilsed voolusuunad põlevkameras ei vasta RANS meetodi täpsete disaininõuetele. Pitsch rõhutas, et LES arvutuslik keerukus asub RANS ja DNS vahel ning seda kasutatakse praegu mittesekventse ruumi turbuulsete põlevkamera arvutustes keskmiste ja madalate Reynolds' numbrite korral. Turbuulsuse lähemaa alal põlevkameras ja voo kõrged Reynolds' numbrite tõttu nõuab ühe põlevkamara pea LES arvutuste jaoks sada miljonit kuni miljardit võrgustiku elementi. Nii kõrge arvutusressurside kulutamine piirab LES meetodi levikut põlevkamara simulatsioonides.

Kõrge täpsusega arvutusmudelite ja meetodite loomine, mis põhinevad väga suure turbulentsi simulatsiooni (VLES) ja hübriidse RANS-LES meetodi raamistikul, on oluline trend numbrilises simulatsioonis. Haniga arendatud VLES meetod lahendab traditsioonilise LES-s oleva probleemi madalast arvutustõhususest, mis tekib filtrigraafikuga ja turbulentsi skaala vastavate piirangute tõttu, ning võimaldab turbulentsi mitmeskaalsete omaduste, ajaliselt muutuvate evolutsioonimustrite ja võrguhelise resolutsiooni vahelist sidumist. VLES regulineerib turbulentsi lahendamise ja mudelisse ehitamise suhet, põhites reaalajas vilkude struktuuri evolutsioonimustritele, mida samal ajal oluliselt vähendatakse arvutuskulusid, tagades arvutustäpsuse.

Siiski, võrreldes traditsioonilise LES-ga, ei ole VLES-i teooriat ja omadusi veel laialdaselt uuritud ega kasutatud. See artikkel tutvustab süsteemselt VLES-i modelleerimisteooriat ja selle rakenduse mõju erinevates füüsikalistes stsenaariumites, mis on seotud põlemistuba ning edendab VLES-i suurte mastaabide kasutamist lendekonna põlemistuba simuleerimise valdkonnas.

Suure eddysimulatsiooni meetod

Näidatakse turbulentsimulatsioonimeetodite mõju arvutivahendite tarbimisele ja mudelitesse figuuris 1. RANS, LES ja VLES meetodid kõik saavutavad voolusimulatsiooni turbulentsimudeleerimise kaudu. Tuleb rõhutada, et esimesed selged VLES-i definitsioonid andis Pope, kes viitas "arvutusrööplusele, mis on liiga rohke, nii et otse lahendatav turbulentsne kiiniline energia moodustab vähem kui 80% kogu turbulentssest kiinilisest energiast". Samal ajal annab Pope [6] LES-i definitsioonina: "arvutusrööplus on nii detailne, et otse lahendatav turbulentsne kiiniline energia on suurem kui 80% kogu turbulentssest kiinilisest energiast". Siiski tuleb rõhutada, et artiklis tutvustatav VLES on uus arvutusmeetod, mis on remodeleeritud ja arendatud eelmise meetodi põhjal. Kuigi nimed on samad, siis uus VLES meetod erineb oluliselt Pope'i poolt defineeritud VLES meetodist. Graafikutest näha, et traditsioonilised turbulentsimudelid järjestatakse arvutusprecision järgi sellises järjekorras: RANS, URANS, hübriid-RANS/LES, LES ja DNS. Uue mudeliramma all järjestatakse turbulentsimudelid arvutusprecision järgi sellises järjekorras: RANS, VLES ja DNS. See tähendab, et VLES meetod integreerib mitmeid traditsioonilisi turbulentsimudeleid, ning erinevad mudelid üleminevad ja teisenduvad adaptiivselt ning siledalt faktorite järgi, mis on seotud kohalike omadustega tegelikus arvutuses.

Simulatsioon tipilistest füüsikaliste protsessidest põlemiskameras

Väga suur eddy simulatsioon tugeva ringlusevoogu korral

Lennukimootori põlemiskamera kasutab tavaliselt mitmest ringlusetaastast ja tugeva ringlustega voogu organisatsiooni vorme. Ringlusvoog on põlemiskameras kõige põhiazalt vooguvorm. Kuna ringlus domineerib nii voogusuunas kui ka rööpkorras, on ringluse turbulentsne pulssing traditsioonilise rörivoogu, kanali- ja purgevooguga võrreldes tugevalt anisotroopne. Seetõttu esitageb ringluse numbriline simulatsioon suure väljakutse turbulentsi simulatsioonimeetodile. Xia ja teised kasutasid VLES meetodit klassikalise tugeva ringlusevoogu näite arvutamiseks roris; Dellenback ja teised [14] tehakse selle näitega voogukohad eksperimente ja on detailne eksperimentaalne andmed. Arvutatud näite voogu Reynolds arv on 1.0 × 105 (põhjendatud ringjoonelise toru diameetriga) ja kiirgus on 1.23. Arvutustes kasutatakse kahte struktureeritud võrgustikku. Laiemate võrkude (M1) koguarv on umbes 900 000, samas kui krüpteeritud võrkude (M2) koguarv on umbes 5,1 miljonit. Arvutusega saadud statistiliste momentide tulemused võrreldakse eksperimentaalsete tulemustega, et kontrollida VLES meetodi arvutusprecissiooni.

Erinevate meetodite arvutustulemuste ja eksperimentaalseid tulemusi radiaalse jaotuse kohta ümberpöörduva keskmise kiiruse ja pulssige kiiruse erinevatel allpool asuvatel positsioonidel tugevalt survestatud voogus on näidatud joonisel 4. Joonises on horisontaalne ja vertikaalne telg vastavalt mõõdakaugus ja mõõdakiirus, kus D1 on sissetuleva ringjoone puu diameeter ja Uin on sissetuleva keskmine kiirus. Joonest võib näha, et voogukuju näitab tipilist Rankin-mittelineaarset komposiitkaevaaeda, mis ülemineb aeglaselt ühekese lihtruumi kaevaaedaks. Arvutustulemuste ja eksperimentaalliste tulemuste võrdluses võib leida, et VLES meetodil on suur arvutuslik täpsus tugevalt survestatud voogu ümberpöörduva kiiruse ennustamisel, mis on hästi kooskõlas eksperimentaalsete mõõtmiste jagunemisega. Traditsiooniline RANS meetodil on suur hälve survestatud voogude arvutamisel ja see ei suuda korralikult ennustada survestatud voogukuju ruumilist evolutsiooni ja turbulentsse pulssimist. Vähemalt võrreldes on VLES meetodil suur täpsus keskmise kiiruse välja, pulssimiskiiruse välja ja ruumilise evolutsiooni ennustamisel keerulistes tugevalt survestatud voogudes ning see tagab endiselt suuren arvutustäpsuse isegi suhteliselt haruldase võrguhelistuses. Ümberpöörduva keskmise kiiruse ennustamisel on VLES meetodi arvutustulemused põhiliselt ühtivad kahe erineva haruldase ja tihe võrguhelistuse korral.

Suure eddysiimulatsioon turbuleentsest põlemisest

VLES meetodi kasutatavuse uurimiseks turbuleentsete põlemismeetmete ennustamisel [15-16] arendati turbuleentspõlemismudel, mis põhineb VLES meetodil, mis on ühendatud flämitoote generaatoritega (FGM). Põhiline idee on eeldada, et turbuleentne flammistruktuur on kohalikult ühe-mõõtmeline laminarflammistruktuur ja turbuleentne flammi pind on mitme laminarflammi pinnade jada ensemble keskmistus. Seega võib komponentide kõrge-mõõtmeline ruum projektsida madalamale mustrile, mis koosneb mitmest iseloomulikust muutujast (segemassi osakaal, reaktsiooni edenemismuutuja jne). Detailset reaktsioonisüsteemi arvesse võttes väheneb oluliselt lahendamiseks vajalike transportvõrrandite arv, mis vähendab oluliselt arvutuskulusid.

Spetsiifiline rakendamisprotsess hõlmab FGM laineandmetabeli koostamist segase osakaalu ja reaktsiooni edenemise muutujate põhjal, turbepõhaste põlevkonneprotsesside vaheliste suhete arvessevõtmist, eeldades tõenäosusdihhafunktsioonimeetodit laineandmetabeli integreerimiseks ning saades nii turbeandmetabeli. Numbrilises arvutuses lahendatakse segase osakaalu, reaktsiooni edenemise muutuja ja vastavate dispersioonide transpordivõrrandid ning päringu tegevuse abil turbeandmetabelilt saadetakse põlevkonnepiiri informatsioon.

Turbuulentsuse põhjustava VLES ja FGM mudeli kasutati ameerika Sandia laboratooriumi mõõdetud metaan/ööd turbuulentses jõusaalis plammi (Flame D) numbriliste arvutusteks, tehti ka kvalitatiivseid võrdlusi eksperimentaalse mõõtmisandmetega. Sandia Flame D näite puhul (Reynoldsi number on 22400) on kütusematerjal täielikult segatud metaan ja ööd ruumalaproportsiooniga 1:3, kütuse sissetuleku kiirus on umbes 49,9 m/s ja järelkiirustus kiirus umbes 11,4 m/s. Kohustplammi koostis on põletatud metaan ja ööd, samas kui järelkiirustus materjal on tugev ööd. Arvutused tehti struktureeritud võrguga, koguvõrku arv on umbes 1,9 miljonit.

Keskmise massijagu erinevate koostisosa jaotumine teljel on näidatud joonisel 5. Joonestikus on horisontaalne ja vertikaalne koordinaat vastavalt mõõtmatusele kaugusele (D2 on sissetuleva jooksu rongi diameeter) ja mõõtmatusele massijagule. Joonestikust võib näha, et põhikoostisosa kättesaamise prognoos VLES meetodil on üldiselt hästi kokkuvõetav eksperimentaalsete tulemustega. Erinevate alluvialiste asendite segemisjaguniku ruumis temperatuuri hajutusjaotus on näidatud joonisel 6. Joonestikust võib näha, et VLES meetodi poolt ennustatud hajutusjuhtum on põhiliselt kooskõlas eksperimentaalsete andmetega, ainult arvutatud temperatuuri äärmuslik väärtus on veidi kõrgem kui eksperimentaalne väärtus. VLES abil arvutatud hetkelise rotaatoriju, temperatuuri ja resolutsiooni juhtimisfunktsiooni jaotus on näidatud joonisel 7, kus joonistatakse täisjoonena Zst=0,351. Joonestikust võib näha, et tuupki jõudmispiirkond näitab tugevat turbulentsust pulssides, ning seejuures suureneb voo väljakujundumise käigus alluviaalses suunas vorteksstruktuuride skaala. Nähtavalt joonises 7 (b) ja (c), keemiliste reaktsioonipiirkondade enamuses on resolutsiooni juhtimisfunktsioon vahemikus 0 ja 1, mis näitab, et kohalik võrgureoslutsioon võimaldab suurte turbulentsirakkude kinni pidamist ja simuleerib vaid väiksemad turbulentsirakkud mudeliga. Sel juhul käitub VLES ligikaudselt suurte voolerakkude simulatsioonimoodulis. Tuupki lõigus ja alluviaalses plammi välised servadega on resolutsiooni juhtimisfunktsioon lähedal 1, mis näitab, et arvutusvõrgu katkestatud filtriskaala on suurem kohalike turbulentsirakkude skaalast. Sel juhul käitub VLES mittestabiilsena Reynolds'i keskmise lahendusmoodulis. Kokkuvõtvalt võib öelda, et VLES meetod võimaldab mitme turbulentsilahendusmoodli reaalajas teisaldada, vastavalt vorteksstruktuuride evolutsiooni omadustele, ja saab täpselt ennustada mittestabiilset põletamisprotsessi turbulentssetes plammides.

Suure eddy simulatsioon täielikust atomiseerimisprotsessist

Hulgas kütusest, mis kasutatakse lennukimootori põlemiskameras, on vedelkütus. Vedelkütus siseneks põlemiskamerasse ja läbib esimese ja teise atomiseerimisprotsessi. Vedelkütuse täieliku atomiseerimisprotsessi simuleerimisel on mitmeid raskusi, sealhulgas kaasainedega topoloogilise liitrahvastatud konfiguratsiooni tuvastamine, vedel veeru deformatsioon ja murdumine, vedel sirgude ja vedel nöörte sadadeks murdmise evolutsioon ning turbuleentse voolu ja sadade vaheline interaktsioon. Huang Ziwei [19] arendas täieliku atomiseerimisprotsessi simuleerimismeetodi, mis põhineb VLES meetodil, mis on sidusatud VOFDPM hübriidatomiseerimismeetodiga, saavutades nii numbrilise simulatsiooni kütuse atomiseerimisest pidevast vedeltest kuni diskreetsetele sadadetele.

Uue arendatud atomiseerimisprotsessi simuleerimismeetodi abil tehti kõrge täpsusega numbrilisi arvutusi klassikalise rinnakujulise vedelikuveeru atomiseerimisprotsessi kohta ning tehti detailne võrdlus avatud kirjanduses [20] esitatud eksperimentaalsetega ja suurte eddide simulatsiooniarvutustega [21]. Arvutusnäites on gaasifaseks õhuke, mille kiirus on vastavalt 77,89 ja 110,0 m/s, ning vedelikufaseks on veekesk, mille kiirus on 8,6 m/s. Vastavad Weberi numbrite väärtused on 100 ja 200. Sekundaarset katkestamisprotsessi simulatsiooni parandamiseks kasutatakse katkestusmudelina Kelvin-Helmholtzi ja Rayleigh-Taylori (KHRT) mudelit.

VLES poolt ennustatud täielik atomiseerimisprotsess Weberi arvu 100 tingimustes on näidatud joonisel 8. Joonest võib näha, et alguses moodustub vedeliku silindriline kiht, mis seejärel murrab end ära vedeliku lauadeks ja niitideks ning aerodünaamilise jõu mõju all murrab need endiselt plokkideks, mida lõhestatakse edaspidi väiksemate plokkiks teise järku lõhestumise kaudu. VLES poolt Weberi arvu 100 tingimustes arvutatud voogu kiirus ja vortsusjaotus ristlõigus on näidatud joonisel 9. Joonest võib näha, et vedeliku veerandpoolsel asub tavaline madal kiirusega tagasisirkulatsioonivöö. Hetkelise vortsusjaotuse järgi on näha, et vedeliku veerandpoolsel esineb tugev vorteksstruktuur, mille tugev turbulentsne liikumine madal kiirusega tagasisirkulatsioonivöös kaasab vedeliku lehe murdumise ja plokkide moodustumise.

Joone 10 on näha suhe algse voolu läbimõõdu ja vedelikujoone miinimumvoolumõõdu vahel, kui vedeliku joon alustab lõhestuma erinevates Weberi arvudes. Joonest nähtub, et di on vedelikujoone miinimumvoolumõõt, kui vedeliku joon alustab lõhestuma, ja D3 on algne vedelikujoone läbimõõt. Joonest selgub, et VLES arvutus tulemused kattuvad hästi eksperimentaalsete tulemustega, mis on literatuuris [21] antud suurema eddysimulatsiooni arvutustulemustest paremad.

Kandemooduli ustaluse väga suured eddisimulatsioonid

Kohaliku keskkonna nõuetele vastamiseks on siviilireisujate põlemiskambrid tavaliselt projekteeritud eelpõletuse või osaliselt eelpõletusega vähepõletuseks. Siiski on vähepõletus eelpõletuses stabilsema ja see võib kutsuda esile termodünaamiliselt sidusaid ostsingulatsioonimoodisid, mis viivad põlemise ebastabiilsuse juurde. Põlemise ebastabiilsus on ülimalt hävituslik ja võib kaasata probleeme nagu tagapõleminen ja tahke deformatsioon, mis on oluline küsimus, millega silmitsi seisab põlemiskamrite disainimisel.

Kustutuse instabiilsuse numbrilise arvutamise võib jagada kaheks kategooriaks: dekuplereerimismeetodiks ja otsestegevuse meetodiks. Dekuplereeritud kustutuse instabiilsuse ennustamismeetod eraldab mittestabiilse kustutuse ja akustika lahendused. Mittestabiilne kustutamine nõuab suurt hulka numbrilisi arvutussid, et luua usaldusväärne flamberkirjeldav funktsioon. Kui kasutatakse suurte eddade simulatsiooni arvutusmeetodit, on selle arvutusressursside kulutus liiga suur. Otsestegevuse arvutusmeetod põhineb kokkumahutatava lahendusmeetodil ja saab kustutuse instabiilsuse tulemuse koheselt kõrge täpsusega mittestabiilsete arvutustega, st seda lõpetatakse ühes arvutusrões sama arvutusrakenduses antud töötingimustes mittestabiilse kustutuse ja akustika kuplereerimisarvutuste protsessiga.

Põlgnemisestabiilsuse numbrilise simuleerimise uurimises töötas Huang ja teised [27] välja põlgnemisestabiilsuse arvutusmudeli, mis põhineb VLES meetodil, mis on sidusatud paksustatud-flaame arvutusmeetodiga, ning saavutas tervikliku prognoosi mittestabiilse põlemismeetodi kohta akustilise äratäitumise all. Arvutusnäide on Kaameruni ülikooli poolt arendatud terasekoju stabiilne eteel/ööga täiesti eespool segunenud flaam, mille võrdlusnäitaja on 0,55 ja Reynolds' number umbes 17000. VLES arvutustulemuste ja eksperimentaalsete tulemuste võrdlus mittestabiilse flaami dünaamiliste omaduste osas akustilise äratäitumise all on näha joonisel 12. Joonest nähtub, et sissetoomisprotsessi ajal kalluvad flaamed sisemisel ja valemisel šeerskihmil ja areneda vastaspoorseteks kiirgudeks paariks. Selle protsessi käigus jätkub patsasflaami profiili evolutsioon faasisügava muutumisega. VLES arvutustulemused reproduktsioneerivad hästi eksperimentidesse vaadatud flaami evolutsioonimärke. Erinevate arvutusmeetodite ja eksperimentaalsete mõõtmiste võrdlus 160 Hz akustilise äratäitumise all saadud külmastiku ja faasivahe suhtes on näha joonisel 13. Joonest nähtub, et Q' ja Q ͂ on vastavalt pulsseeriv ja keskmine kütusepõletamise külmahutase, A on siinüsoidsete akustiliste äratustega seotud amplituud. Joonest 13 (b) ordinaat on fasediferents kütusepõletamise ajutise külmahu signaali akustiliste äratustega võrreldes ning sissetoomisega seotud kiiruse äratuse signaaliga. Joonest nähtub, et VLES meetodi ennustus täpsus on võrdväärselt suure ning see on heakokku suurte eddade simulatsiooni [28] täpsusega, mõlemad on hästi kooskõlas eksperimentaalsed väärtused. Kuigi mittestabiilne RANS meetod ennustab mittelineaarsete vastuste trendi, arvutatud kvantitatiivsed tulemused erinevad oluliselt eksperimentaalsetest andmetest. Fasediferentsi tulemuste puhul (joon 13 (b)) on VLES meetodi poolt ennustatud fasediferentsi trend hästi kooskõlas häirimise amplituudiga eksperimentaalse tulemusega, samal ajal kui suurte eddade simulatsioon ei suuda seda trendi hästi ennustada.