Õhusõiduki mootori põlemiskambri aerodünaamilise jõudluse uurimise edusammud suurte pööriste simulatsiooni põhjal

Õhusõiduki mootori põlemiskambri aerodünaamilise jõudluse uurimise edusammud suurte pööriste simulatsiooni põhjal

Põlemiskamber on üks lennukimootori põhikomponente ja põlemiskambri aerodünaamiline jõudlus mängib kogu mootori töös üliolulist rolli. Põlemiskambri mootorile esitatavate üha karmistuvate tehniliste nõuete täitmiseks on põlemiskorraldusrežiim ja põlemiskambri sisesed vooluomadused muutunud väga keeruliseks. Hajuti aeglustus- ja survestamisprotsess võib tugeva ebasoodsa rõhu gradiendi korral seista silmitsi voolu eraldumisega; õhuvool läbib mitmeastmelist pöörisseadet, moodustades suuremahulise keerisstruktuuri, mis ühelt poolt soodustab vedelkütuse pihustamist ja aurustumist ning moodustab kütusega tugevalt pulseeriva ebastabiilse segu, teisalt aga tekitab aerodünaamilises retsirkulatsioonitsoonis statsionaarse leegi; peamise põlemis-/segamisava mitmed joad interakteeruvad leegitoru külgvooluga, moodustades vastupidiselt pöörleva keerispaari, millel on oluline mõju turbulentsele segunemisele. Voolu põhjal on tugevalt seotud mitmetasandilised füüsikalised ja keemilised protsessid, nagu pihustamine ja aurustamine, segunemine, keemiline reaktsioon ning turbulentsi ja leegi vastastikmõju, mis ühiselt määravad põlemiskambri aerodünaamilised omadused. Nende füüsikaliste ja keemiliste protsesside ülitäpne modelleerimine ja arvutamine on alati olnud kuum uurimisteema nii kodu- kui ka välismaal.

Põlemiskambris toimuvad pihustus-, aurustumis-, segamis- ja põlemisprotsessid arenevad ja arenevad turbulentses voolukeskkonnas, seega on vool põlemiskambri aerodünaamilise jõudluse simuleerimise aluseks. Turbulentsi põhiomadus on see, et vooluparameetrid näitavad juhuslikku pulsatsiooni, mis on tingitud mittelineaarsest konvektsiooniprotsessist. Turbulents sisaldab palju keerisstruktuure. Erinevate keeriste pikkused ja ajaskaalad on tohutud ning Reynoldsi arvu kasvades suurenevad skaaladevahelised vahemikud järsult. Otseselt lahendatud turbulentse keerisstruktuuride osakaalu järgi turbulentsi simulatsioon meetodid jagunevad otseseks numbriliseks simulatsiooniks (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokesi (RANS), suurte pööriste simulatsiooniks (LES) ja segaturbulentsi simulatsioonimeetoditeks. Inseneritöös laialdaselt kasutatav RANS-meetod lahendab turbulentse keskmise välja ja kasutab mudelit kogu turbulentse pulsatsiooniteabe simuleerimiseks. Arvutussumma on väike, kuid täpsus on halb. Tugeva keerise ja ebastabiilse vooluga protsesside korral põlemiskambris ei suuda RANS vastata rafineeritud disaini nõuetele. Pitsch märkis, et LES-i arvutuslik keerukus on RANS-i ja DNS-i vahel ning seda kasutatakse praegu turbulentse põlemise arvutusteks piiramatutes ruumides, kus on keskmised ja madalad Reynoldsi numbrid. Põlemiskambri seinalähedase piirkonna turbulentsi väikese ulatuse ja voolu kõrge Reynoldsi arvu tõttu on ainuüksi põlemiskambri ühe pea LES arvutamiseks vajalik võrkude hulk sadades miljonites kuni miljardites. Selline suur arvutusressursside tarbimine piirab LES-i laialdast kasutamist põlemiskambri simulatsioonides.

Väga suure pöörissimulatsiooni (VLES) ja hübriid-RANS-LES meetodi raamistikel põhinevate ülitäpsete arvutusmudelite ja meetodite loomine on numbrilise simulatsiooni oluline suund. Han jt poolt välja töötatud VLES-meetod. lahendab madala arvutusliku efektiivsuse probleemi, mis on põhjustatud ruudustiku skaala filtreerimisest ja turbulentsi skaala sobitamise piirangute lahendamisest traditsioonilises LES-is, ning realiseerib turbulentsi mitmeskaalaliste karakteristikute, mööduva evolutsiooni karakteristikute ja võrgu eraldusvõime vahelise seosemudeli. , VLES kohandab adaptiivselt turbulentsilahenduse ja mudeli modelleerimise vahelist suhet keerise struktuuri evolutsiooni reaalajas karakteristikute põhjal, vähendades oluliselt arvutuskulusid, tagades samal ajal arvutuste täpsuse.

Sellegipoolest ei ole VLES-i teooriat ja omadusi traditsioonilise LES-iga võrreldes laialdaselt uuritud ega kasutatud. Selles artiklis tutvustatakse süstemaatiliselt VLES-i modelleerimise teooriat ja selle rakendusefekte erinevates põlemiskambritega seotud füüsikalistes stsenaariumides, edendades VLES-i laiaulatuslikku rakendamist lennukimootorite põlemiskambrite simulatsiooni valdkonnas.

Suure pöörisega simulatsioonimeetod

Turbulentsi simulatsioonimeetodite mõju ressursitarbimise ja mudelite arvutamisele on näidatud joonisel 1. RANS-, LES- ja VLES-meetodid saavutavad kõik voolu simulatsiooni turbulentsi modelleerimise kaudu. Tuleb märkida, et VLES-i varaseima selge määratluse andis Pope, mis viitab sellele, et "arvutusvõrgu skaala on liiga jäme, nii et otseselt lahendatud turbulentne kineetiline energia on alla 80% kogu turbulentsest kineetilisest energiast". Samal ajal on paavsti [6] antud LES tähenduses "arvutusvõrk on väga peen, nii et otseselt lahendatud turbulentne kineetiline energia on suurem kui 80% kogu turbulentsest kineetilisest energiast". Sellegipoolest tuleb märkida, et selles artiklis tutvustatud VLES on uus arvutusmeetod, mis on ümber kujundatud ja välja töötatud eelmise meetodi alusel. Kuigi nimed on samad, erineb uus VLES-meetod sisuliselt paavsti määratletud VLES-meetodist. Nagu jooniselt näha, on traditsioonilised turbulentsirežiimid arvutuse täpsuse järjekorras RANS, URANS, hübriid RANS/LES, LES ja DNS. Uue mudeliraamistiku kohaselt on turbulentsirežiimid arvutuse täpsuse järgi jagatud RANS-iks, VLES-iks ja DNS-iks. See tähendab, et VLES-meetod realiseerib mitme traditsioonilise turbulentsirežiimi ühendamise ning erinevad mudelid lähevad adaptiivselt üle ja teisendavad tegelikes arvutustes sujuvalt vastavalt kohalikele omadustele.

Tüüpiliste füüsikaliste protsesside simuleerimine põlemiskambris

Tugeva pöörleva voolu väga suur pöörissimulatsioon

Lennuki mootori põlemiskambris kasutatakse tavaliselt vooluvälja korraldusvorme, nagu mitmeastmeline keeris ja tugev keeris. Pöörisvool on põlemiskambri kõige põhilisem vooluvorm. Kuna keeris on domineeriv nii voolusuunas kui ka tangentsiaalses suunas, on keerise turbulentsel pulsatsioonil tugevam anisotroopia kui traditsioonilisel toruvoolul, kanalivoolul ja joavoolul. Seetõttu on keerise numbriline simulatsioon turbulentsi simulatsioonimeetodile suur väljakutse. Xia et al. kasutas VLES-meetodit klassikalise tugeva keerisevoolu näite arvutamiseks torus; Dellenback et al. [14] viisid selle näite põhjal läbi vooluvälja katseid ja omasid üksikasjalikke katseandmeid. Arvutatud näite voo Reynoldsi arv on 1.0×105 (ringikujulise toru läbimõõdu alusel) ja keerise arv on 1.23. Arvutamisel kasutatakse kahte struktureeritud ruudustiku komplekti. Hõredate võrkude (M1) koguarv on umbes 900,000 2 ja krüpteeritud võrkude koguarv (M5.1) umbes XNUMX miljonit. Arvutamise teel saadud statistiliste momentide tulemusi võrreldakse täiendavalt katsetulemustega, et kontrollida VLES-meetodi arvutustäpsust.

Erinevate meetodite arvutustulemuste võrdlus ning ringsuunalise keskmise kiiruse ja pulseerimiskiiruse radiaaljaotuse katsetulemused erinevates allavoolu asendites tugeva keerisvoolu korral on näidatud joonisel 4. Joonisel on horisontaal- ja vertikaalkoordinaadid vastavalt dimensioonita kaugus ja dimensioonita kiirus, kus D1 on sisselaskeava ringtoru läbimõõt ja Uin on sisselaskeava keskmine kiirus. Nagu jooniselt näha, näitab vooluväli tüüpilist Rankini-laadset liitpöörist, mis läheb järk-järgult üle üheks jäigaks kehakeeriseks. Arvutus- ja katsetulemusi kõrvutades võib leida, et VLES-meetodil on tugeva keerisevoolu ringkiiruse prognoosimiseks kõrge arvutustäpsus, mis on hästi kooskõlas eksperimentaalsete mõõtmiste jaotusega. Traditsioonilisel RANS-meetodil on keerise voolu arvutamisel väga suur kõrvalekalle ja see ei suuda õigesti ennustada keerise vooluvälja ja turbulentse pulsatsiooni ruumilist arengut. Võrdluseks, VLES-meetodil on väga kõrge täpsus keskmise kiirusvälja, pulseeriva kiirusvälja ja ruumilise evolutsiooni ennustamisel keerulise tugeva pöörleva voolu korral ning see võib siiski tagada suure arvutustäpsuse isegi suhteliselt hõreda ruudustiku eraldusvõime korral. Ümbermõõdu keskmise kiiruse ennustamiseks on VLES-meetodi arvutustulemused põhimõtteliselt järjekindlad kahe hõreda ja tiheda võrgu eraldusvõime korral.

Turbulentse põlemise suur pöörissimulatsioon

Selleks, et uurida VLES-meetodi teostatavust turbulentse põlemise probleemide ennustamisel [15-16], töötati välja VLES-meetodil põhinev turbulentse põlemise mudel, mis on ühendatud flamelet genereeritud kollektoritega (FGM). Põhiidee on eeldada, et turbulentsel leegil on lokaalselt ühemõõtmeline laminaarne leegi struktuur ja turbulentne leegi pind on laminaarse leegi pindade seeria keskmine. Seetõttu saab suuremõõtmelise komponendi ruumi kaardistada madala mõõtmega voolumustriga, mis koosneb mitmest iseloomulikust muutujast (segu fraktsioon, reaktsiooni edenemise muutuja jne). Kui arvestada üksikasjalikku reaktsioonimehhanismi, väheneb oluliselt lahendatavate transpordivõrrandite arv, mis vähendab oluliselt arvutuskulusid.

Konkreetne rakendusprotsess seisneb FGM-i laminaarse andmetabeli koostamises segufraktsiooni ja reaktsiooni edenemise muutujate põhjal, turbulentse põlemise vastastikmõju arvestamine, eeldades laminaarse andmetabeli integreerimiseks tõenäosustiheduse funktsiooni meetodit, ja seeläbi saada turbulentse andmetabel. Arvarvutuses lahendatakse segufraktsiooni transpordivõrrandid, reaktsiooni edenemise muutujad ja vastav dispersioon ning põlemisvälja info saadakse turbulentse andmetabeli päringu abil.

VLES-il ja FGM-il põhinevat turbulentset põlemismudelit kasutati USA Sandia laboris mõõdetud metaani/õhu turbulentse reaktiivleegi (Flame D) arvulisteks arvutusteks ning tehti kvantitatiivsed võrdlused eksperimentaalsete mõõtmisandmetega. Sandia Flame D näite kütusematerjal (Reynoldsi arv on 22400) on metaani ja õhu täielik segu mahusuhtega 1:3, kütuse sisselaskekiirus on umbes 49.9 m/s ja äratuskiirus umbes 11.4 m/s. Tööleek on põlenud metaani ja õhu segu ning äratusmaterjal on puhas õhk. Arvutamisel kasutatakse struktureeritud võrku ja võrkude koguarv on umbes 1.9 miljonit.

Erinevate komponentide keskmise massiosa jaotus piki telge on näidatud joonisel 5. Horisontaalsed ja vertikaalsed koordinaadid joonisel on vastavalt dimensioonita kaugus (D2 on sisselaskejoa toru läbimõõt) ja dimensioonita massiosa. Jooniselt on näha, et põlemisprotsessi põhikomponentide prognoosimine VLES meetodil on üldiselt hästi kooskõlas katsetulemustega. Temperatuuri hajutatud jaotus erinevates allavoolu positsioonides segufraktsiooni ruumis on näidatud joonisel 6. Jooniselt on näha, et VLES-meetodiga ennustatud hajutatud jaotuse trend on põhimõtteliselt kooskõlas katsetulemustega ning ainult arvutatud temperatuuri äärmuslik väärtus on veidi kõrgem kui katseväärtus. VLES-i arvutatud hetkelise keerise, temperatuuri ja eraldusvõime reguleerimise funktsiooni jaotus on näidatud joonisel 7, kus pidevjoon on võetud kujul Zst=0.351. Jooniselt on näha, et südamiku joa piirkonnas on tugev turbulentne pulsatsioon ja kui vooluväli areneb allavoolu, suureneb keerise struktuuri skaala järk-järgult. Nagu on näha joonistelt 7 (b) ja (c), on enamikus keemiliste reaktsioonide piirkondades eraldusvõime juhtimisfunktsioon vahemikus 0 kuni 1, mis näitab, et kohaliku võrgu eraldusvõime suudab hõlmata suuremahulist turbulentsi ja simuleerida mudeli kaudu ainult väikesemahulist turbulentsi. Praegu käitub VLES ligikaudse suurte pööriste simulatsioonilahenduse režiimina. Joa nihkekihis ja allavoolu leegi välisservas on eraldusvõime juhtimisfunktsioon 1 lähedal, mis näitab, et arvutusvõrgu kärbitud filtri skaala on suurem kui kohaliku turbulentsi skaala. Sel ajal käitub VLES ebastabiilse Reynoldsi keskmise lahendusrežiimina. Kokkuvõttes võib näha, et VLES-meetod suudab realiseerida mitme turbulentsilahenduse režiimi teisendamist vastavalt keerise struktuuri evolutsiooni reaalajas omadustele ja täpselt ennustada ebastabiilset põlemisprotsessi turbulentsetes leekides.

Täieliku pihustusprotsessi suur pöörissimulatsioon

Suurem osa lennukimootori põlemiskambris kasutatavast kütusest on vedelkütus. Vedelkütus siseneb põlemiskambrisse ja läbib esmase pihustamise ja sekundaarse pihustamise. Vedelkütuse täieliku pihustusprotsessi simuleerimisel on palju raskusi, sealhulgas gaasi-vedeliku kahefaasilise topoloogilise liidese konfiguratsiooni püüdmine, vedelikusamba deformatsioon ja purunemine, vedelikuribade ja vedelate filamentide lagunemine piiskadeks ning turbulentse voolu ja tilkade vaheline interaktsioon. Huang Ziwei [19] töötas välja VLES-meetodil põhineva täieliku pihustusprotsessi simulatsioonimudeli, mis on ühendatud VOFDPM-i hübriidpihustamise arvutusmeetodiga, realiseerides kütuse pihustamise täisprotsessi numbrilise simulatsiooni pidevast vedelikust diskreetsete tilkadeni.

Klassikalise külgvoolu vedelikusamba pihustamise protsessi ülitäpsete numbriliste arvutuste läbiviimiseks kasutati äsja väljatöötatud pihustusprotsessi simulatsioonimudelit ning üksikasjalik võrdlus tehti avatud kirjanduses [20] leiduvate katsetulemustega ja suurte pööriste simulatsiooni arvutustulemustega [21]. Arvutusnäites on gaasifaasiks õhk kiirusega vastavalt 77.89 ja 110.0 m/s ning vedelfaasiks vedel vesi kiirusega 8.6 m/s. Vastavad Weberi numbrid on vastavalt 100 ja 200. Sekundaarse lagunemisprotsessi paremaks simuleerimiseks kasutab lagunemismudel Kelvin-Helmholtzi ja Rayleigh-Taylori (KHRT) mudelit.

VLES-i poolt Weberi numbri 100 tingimusel ennustatud täielik pihustamisprotsess on näidatud joonisel 8. Nagu jooniselt näha, moodustub algses piirkonnas õhuke vedelikusamba leht, seejärel laguneb vedelikusammas vedelikuribadeks ja vedelikufilamentideks ning laguneb aerodünaamilise jõu mõjul piiskadeks ning tilgad jagunevad sekundaarse lagunemise kaudu veelgi väiksemateks tilkadeks. VLES-i poolt Weberi numbri 100 tingimusel arvutatud voolukiirus ja keeriste jaotus lainepikkusel on näidatud joonisel 9. Nagu jooniselt näha, on vedelikusamba tuulealusel küljel tüüpiline väikese kiirusega retsirkulatsiooni tsoon. Hetkelise keerise jaotuse põhjal on näha, et vedelikusamba tuulealusel küljel on tugev keerisstruktuur ning tugev turbulentne liikumine väikese kiirusega retsirkulatsioonitsoonis aitab kaasa vedelikusamba lehe purunemisele ja tilkade tekkele.

Algse joa läbimõõdu ja vedelikujoa minimaalse voolumõõtme suhe, kui vedelikusammas hakkab lagunema, on näidatud erinevate Weberi numbrite all joonisel 10. Joonisel di on vedelikujoa minimaalne voolumõõt, kui vedelikusammas hakkab purunema, ja D3 on vedelikujoa esialgne läbimõõt. Jooniselt on näha, et VLES arvutustulemused ühtivad hästi katsetulemustega, mis on paremad kui kirjanduses toodud suurte pööriste simulatsiooni arvutustulemused [21].

Põlemise ebastabiilsus Väga suur pöörissimulatsioon

Madala heitkoguse nõuete täitmiseks projekteeritakse tsiviillennukite põlemiskambrid tavaliselt eelsegatud või osaliselt eelsegatud lahja põlemisega. Lahja eelsegatud põlemine on aga halva stabiilsusega ja kaldub ergutama termoakustilise sidestatud võnkumisega põlemisrežiime, mis põhjustab põlemise ebastabiilsust. Põlemise ebastabiilsus on väga hävitav ja sellega võivad kaasneda sellised probleemid nagu tagasilöök ja tahke deformatsioon, mis on põlemiskambri konstruktsiooni silmapaistev probleem.

Põlemise ebastabiilsuse arvulised arvutused võib jagada kahte kategooriasse: lahtisidumise meetod ja otsesidestusmeetod. Lahtiseotud põlemise ebastabiilsuse ennustamise meetod lahutab ebastabiilse põlemise ja akustilised lahendused. Ebastabiilne põlemine nõuab usaldusväärse leegi kirjeldamise funktsiooni loomiseks suurt arvu arvutusnäidiseid. Kui kasutatakse suurte pööriste simulatsiooni arvutusmeetodit, on selle arvutusressursside tarbimine liiga suur. Otseühenduse arvutusmeetod põhineb kokkusurutava lahenduse meetodil ja saab põlemise ebastabiilsuse tulemuse otse suure täpsusega ebastabiilse arvutuse abil, see tähendab, et ebastabiilse põlemise ja akustika seose arvutamise protsess antud töötingimustes viiakse läbi üheaegselt samas arvutusraamistikus.

Põlemise ebastabiilsuse lahtisidumise numbrilise simulatsiooni uurimisel uurisid Huang et al. [27] töötas välja põlemise ebastabiilsuse arvutusmudeli, mis põhineb VLES-meetodil koos pakseneva leegi arvutamise meetodiga ja saavutas akustilise ergastuse korral ebastabiilse põlemisprotsessi täpse prognoosi. Arvutusnäide on Cambridge'i ülikooli poolt välja töötatud nüri keha statsionaarne etüleen/õhk täielikult eelsegatud leek, mille ekvivalentsuhe on 0.55 ja Reynoldsi arv umbes 17000 12. VLES arvutustulemuste ja akustilise ergastuse korral ebastabiilse leegi dünaamiliste karakteristikute katsetulemuste võrdlus on näidatud joonisel 160. protsessi käigus rullub leek ümber sisemise ja välimise nihkekihi ning areneb vastassuunas pöörlevaks keerispaariks. Selles protsessis jätkub seenekujulise leegiprofiili areng koos faasinurga muutumisega. VLES-i arvutustulemused kordavad hästi katses täheldatud leegi eraldumise omadusi. Erinevate arvutusmeetodite ja eksperimentaalsete mõõtmiste abil saadud soojuseralduskiiruse reaktsiooni amplituudi ja faasierinevuse võrdlus 13 Hz akustilise ergastuse korral on näidatud joonisel XNUMX. Joonisel Q' ja Q͂ on vastavalt pulseeriv soojuseraldus ja põlemise keskmine soojuseraldus, A on sinusoidse akustilise ergastuse amplituud ja joonisel 13 (b) kujutatud ordinaat on akustilise ergastuse korral põlemise mööduva soojuseraldussignaali ja sisselaskekiiruse ergastussignaali faaside erinevus. Nagu jooniselt näha, on VLES-meetodi ennustustäpsus võrreldav suurte pööriste simulatsiooni täpsusega [28] ja mõlemad on katseväärtustega hästi kooskõlas. Kuigi ebastabiilne RANS-meetod ennustab mittelineaarse vastuse suundumust, erinevad arvutatud kvantitatiivsed tulemused suuresti eksperimentaalsetest väärtustest. Faasierinevuse tulemuste puhul (joonis 13 (b)) on VLES-meetodil ennustatud faasierinevuse trend koos häirete amplituudiga põhimõtteliselt kooskõlas katsetulemustega, samas kui suurte pööriste simulatsiooni tulemused ei ennusta ülaltoodud trendi hästi.