Lentokoneen moottorin polttokammion aerodynaamisen suorituskyvyn tutkimukset perustuvat suuriin pyörteisiin

Lentokoneen moottorin polttokammion aerodynaamisen suorituskyvyn tutkimukset perustuvat suuriin pyörteisiin

Polttokammio on yksi lentokoneen moottorin ydinkomponenteista, ja polttokammion aerodynaaminen suorituskyky on tärkeä rooli koko moottorin suorituskyvyssä. Polttokammion moottorin yhä tiukentuvien teknisten vaatimusten täyttämiseksi polton organisointitila ja virtausominaisuudet polttokammion sisällä ovat tulleet erittäin monimutkaisiksi. Diffuusorin hidastus- ja paineistusprosessi voi kohdata virtauksen erottumisen voimakkaan haitallisen painegradientin alaisena; ilmavirta kulkee monivaiheisen pyörrelaitteen läpi muodostaen suuren mittakaavan pyörrerakenteen, joka toisaalta edistää nestemäisen polttoaineen sumutumista ja haihtumista ja muodostaa polttoaineen kanssa voimakkaasti sykkivän, epävakaan seoksen ja toisaalta muodostaa paikallaan pysyvän liekin aerodynaamiseen kierrätysvyöhykkeeseen; pääpoltto-/sekoitusreiän useat suihkut ovat vuorovaikutuksessa liekkiputken sivuvirtauksen kanssa muodostaen vastakkaiseen suuntaan pyörivän pyörreparin, jolla on tärkeä vaikutus turbulenttiseen sekoitukseen. Virtauksen perusteella kytkeytyvät vahvasti monimittaiset fysikaaliset ja kemialliset prosessit, kuten sumuttaminen ja haihdutus, sekoittuminen, kemiallinen reaktio sekä turbulenssin ja liekin välinen vuorovaikutus, jotka yhdessä määrittävät palotilan aerodynaamiset ominaisuudet. Näiden fysikaalisten ja kemiallisten prosessien tarkka mallintaminen ja laskeminen on aina ollut kuuma tutkimusaihe kotimaassa ja ulkomailla.

Polttokammion sumutus-, haihdutus-, sekoitus- ja palamisprosessit kehittyvät ja kehittyvät pyörteisessä virtausympäristössä, joten virtaus on polttokammion aerodynaamisen suorituskyvyn simuloinnin perusta. Turbulenssin perusominaisuus on, että virtausparametrit osoittavat epälineaarisen konvektioprosessin aiheuttamaa satunnaista pulsaatiota. Turbulenssi sisältää monia pyörrerakenteita. Erilaisten pyörteiden jännevälit pituudeltaan ja aikaskaaloilla ovat valtavia, ja Reynoldsin luvun kasvaessa asteikkojen väliset jännevälit kasvavat jyrkästi. Suoraan ratkaistujen turbulenttisten pyörrerakenteiden osuuden mukaan turbulenssisimulaatio menetelmät jaetaan suoriin numeerisiin simulaatioihin (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), suurten pyörteiden simulointiin (LES) ja sekaturbulenssisimulaatiomenetelmiin. Suunnittelussa laajalti käytetty RANS-menetelmä ratkaisee turbulentin keskiarvon ja simuloi mallin avulla kaikkea turbulenttista pulsaatioinformaatiota. Laskentasumma on pieni, mutta tarkkuus huono. Polttokammiossa tapahtuvien voimakkaiden pyörteiden ja epävakaiden virtausprosessien osalta RANS ei voi täyttää hienostuneen suunnittelun vaatimuksia. Pitsch huomautti, että LES:n laskennallinen monimutkaisuus on RANS:n ja DNS:n välillä, ja sitä käytetään tällä hetkellä turbulentin palamisen laskelmiin rajoittamattomissa tiloissa, joissa on keskisuuret ja pienet Reynolds-luvut. Polttokammion seinän lähellä olevan alueen turbulenssin pienen mittakaavan ja virtauksen suuren Reynolds-luvun vuoksi johtuen palotilan yksittäisen pään LES-laskennan vaatima ristikkomäärä on sadoista miljoonista miljardeihin. Tällainen korkea laskentaresurssien kulutus rajoittaa LES:n laajaa käyttöä polttokammiosimulaatioissa.

Erittäin tarkkojen laskentamallien ja -menetelmien perustaminen Very Large Eddy Simulation (VLES)- ja Hybrid RANS-LES -menetelmäkehykseen on tärkeä trendi numeerisessa simulaatiossa. Han et ai. kehittämä VLES-menetelmä. ratkaisee ongelman alhaisesta laskennallisesta tehokkuudesta, joka aiheutuu suodatusruudukon mittakaavan ja turbulenssiasteikon sovitusrajoitusten ratkaisemisesta perinteisessä LES:ssä, ja toteuttaa kytkentämallinnuksen turbulenssin monimittakaavaominaisuuksien, transienttievoluutio-ominaisuuksien ja ruudukon resoluution välillä. , VLES säätää adaptiivisesti turbulenssiratkaisun ja mallin mallinnuksen välistä suhdetta pyörteen rakenteen kehityksen reaaliaikaisten ominaisuuksien perusteella, mikä vähentää merkittävästi laskentakustannuksia ja varmistaa laskennan tarkkuuden.

Perinteiseen LES:ään verrattuna VLES:n teoriaa ja ominaisuuksia ei kuitenkaan ole tutkittu ja käytetty laajasti. Tässä artikkelissa esitellään systemaattisesti VLES:n mallinnusteoriaa ja sen soveltamisvaikutuksia erilaisissa palokammioihin liittyvissä fysikaalisissa skenaarioissa edistäen VLES:n laajamittaista soveltamista lentokoneiden moottoreiden polttokammiosimulaatioon.

Large Eddy -simulointimenetelmä

Turbulenssisimulaatiomenetelmien vaikutus resurssien kulutuksen ja mallien laskemiseen on esitetty kuvassa 1. RANS-, LES- ja VLES-menetelmillä saadaan aikaan virtaussimulaatio turbulenssimallinnuksen avulla. On huomattava, että varhaisimman selkeän määritelmän VLES:stä antoi Pope, joka viittaa "laskennallisen ruudukon asteikko on liian karkea niin, että suoraan ratkaistu turbulenttinen kineettinen energia on alle 80% turbulentin kineettisen kokonaisenergian kokonaismäärästä". Samaan aikaan paavin [6] antama LES:n merkitys on "laskennallinen hila on erittäin hieno niin, että suoraan ratkaistu turbulenttinen kineettinen energia on suurempi kuin 80 % turbulentin kineettisen kokonaisenergian kokonaismäärästä". On kuitenkin huomattava, että tässä artikkelissa esitelty VLES on uusi laskentamenetelmä, joka on muokattu ja kehitetty edellisen menetelmän pohjalta. Vaikka nimet ovat samat, uusi VLES-menetelmä eroaa olennaisesti Popen määrittelemästä VLES-menetelmästä. Kuten kuvasta voidaan nähdä, perinteiset turbulenssitilat ovat RANS, URANS, hybridi RANS/LES, LES ja DNS laskennan tarkkuuden mukaan. Uudessa mallikehyksessä turbulenssitilat on jaettu RANS-, VLES- ja DNS-muotoihin laskennan tarkkuuden mukaan. Toisin sanoen VLES-menetelmä toteuttaa useiden perinteisten turbulenssimoodien yhdistämisen, ja eri mallit siirtyvät adaptiivisesti ja muuntavat sujuvasti paikallisten ominaisuuksien mukaan todellisissa laskelmissa.

Tyypillisten fysikaalisten prosessien simulointi polttokammiossa

Erittäin suuri pyörteinen simulaatio vahvasta pyörteisestä virtauksesta

Lentokoneen moottorin polttokammiossa käytetään yleensä virtauskentän organisaatiomuotoja, kuten monivaiheinen pyörre ja voimakas pyörre. Pyörrevirtaus on perusvirtausmuoto polttokammiossa. Koska pyörre on hallitseva sekä virtaussuunnassa että tangentiaalisessa suunnassa, pyörteen turbulenttisella pulsaatiolla on vahvempi anisotropia kuin perinteisellä putkivirtauksella, kanavavirtauksella ja suihkuvirtauksella. Siksi pyörteen numeerinen simulointi on suuri haaste turbulenssisimulaatiomenetelmälle. Xia et ai. käytti VLES-menetelmää laskeakseen klassisen vahvan pyörrevirtauksen esimerkin putkessa; Dellenback et ai. [14] suoritti virtauskenttäkokeita tällä esimerkillä ja heillä oli yksityiskohtaisia ​​kokeellisia tietoja. Lasketun esimerkin virtauksen Reynoldsin luku on 1.0×105 (pyöreän putken halkaisijan perusteella) ja pyörreluku on 1.23. Laskennassa käytetään kahta strukturoitua ruudukkoa. Harvaverkon (M1) kokonaismäärä on noin 900,000 2 ja salattujen gridien (M5.1) kokonaismäärä noin XNUMX miljoonaa. Laskemalla saatuja tilastollisia momenttituloksia verrataan edelleen kokeellisiin tuloksiin VLES-menetelmän laskentatarkkuuden varmistamiseksi.

Eri menetelmien laskentatulosten vertailu ja kokeelliset tulokset kehäkeskinopeuden ja sykkivän nopeuden säteittäisjakaumasta eri alavirran kohdissa voimakkaan pyörteisen virtauksen alaisena on esitetty kuvassa 4. Kuvassa vaaka- ja pystykoordinaatit ovat vastaavasti dimensioton etäisyys ja dimensioton nopeus, jossa D1 on sisäänmenon pyöreän putken halkaisija ja Uin on sisäänmenon keskinopeus. Kuten kuvasta voidaan nähdä, virtauskentässä näkyy tyypillinen Rankinin kaltainen yhdistepyörte, joka siirtyy vähitellen yhdeksi jäykän kappaleen pyörteeksi. Laskenta- ja koetuloksia vertailemalla voidaan todeta, että VLES-menetelmällä on korkea laskentatarkkuus vahvan pyörteisen virtauksen kehänopeuden ennustamisessa, mikä on hyvin sopusoinnussa kokeellisten mittausten jakauman kanssa. Perinteisellä RANS-menetelmällä on erittäin suuri poikkeama pyörrevirtauksen laskennassa, eikä se pysty oikein ennustamaan pyörrevirtauskentän ja turbulentin pulsaation avaruudellista kehitystä. Vertailun vuoksi VLES-menetelmällä on erittäin korkea tarkkuus keskimääräisen nopeuskentän, sykkivän nopeuskentän ja spatiaalisen evoluution ennustamisessa monimutkaisen voimakkaan pyörteisen virtauksen aikana, ja se voi silti taata korkean laskentatarkkuuden jopa suhteellisen harvalla ruudukon resoluutiolla. Kehäkeskimääräisen nopeuden ennustamiseksi VLES-menetelmän laskentatulokset ovat periaatteessa yhdenmukaisia ​​kahdella harvalla ja tiheällä ruudukon resoluutiolla.

Suuri pyörteinen turbulenttisen palamisen simulaatio

VLES-menetelmän toteutettavuuden selvittämiseksi turbulenttisen palamisen ongelmien ennustamisessa [15-16] kehitettiin VLES-menetelmään perustuva turbulenttisen palamisen malli yhdistettynä flamelet generoituihin jakoputkiin (FGM). Perusajatuksena on olettaa, että pyörteisellä liekillä on paikallisesti yksiulotteinen laminaarinen liekkirakenne ja turbulenttinen liekkipinta on laminaaristen liekkipintojen sarjan kokonaiskeskiarvo. Tästä syystä suuriulotteinen komponenttiavaruus voidaan kartoittaa pieniulotteiseksi virtauskuvioksi, joka koostuu useista tunnusomaisista muuttujista (seosfraktio, reaktion etenemismuuttuja jne.). Kun otetaan huomioon yksityiskohtainen reaktiomekanismi, ratkaistavien kuljetusyhtälöiden määrä vähenee huomattavasti, mikä vähentää merkittävästi laskentakustannuksia.

Erityinen toteutusprosessi on FGM:n laminaaridatataulukon rakentaminen seososuuden ja reaktion etenemismuuttujien perusteella, turbulenttisen palamisen välisen vuorovaikutuksen tarkastelu olettamalla laminaaritietotaulukon integroimiseksi todennäköisyystiheysfunktion menetelmä ja siten turbulenttisen datataulukon hankkiminen. Numeerisessa laskennassa ratkaistaan ​​seosfraktion, reaktion etenemismuuttujien ja vastaavan varianssin kuljetusyhtälöt ja palamiskenttäinformaatio saadaan kyselyllä turbulenttitietotaulukosta.

VLES:ään ja FGM:ään perustuvaa pyörteistä palamismallia käytettiin numeerisissa laskelmissa yhdysvaltalaisen Sandian laboratorion mittaaman metaani/ilman turbulenttisen suihkuliekin (Flame D) osalta ja tehtiin kvantitatiivisia vertailuja kokeellisten mittaustietojen kanssa. Sandia Flame D -esimerkin polttoainemateriaali (Reynoldsin luku on 22400) on täydellinen metaanin ja ilman seos tilavuussuhteella 1:3, polttoaineen tulonopeus on noin 49.9 m/s ja herätysnopeus noin 11.4 m/s. Teholiekki on palaneen metaanin ja ilman seos, ja jälkimateriaali on puhdasta ilmaa. Laskelmassa käytetään strukturoitua ruudukkoa, ja ruudukkoa on yhteensä noin 1.9 miljoonaa.

Eri komponenttien keskimääräisen massaosuuden jakautuminen akselille on esitetty kuvassa 5. Kuvan vaaka- ja pystykoordinaatit ovat dimensioton etäisyys (D2 on tulosuihkuputken halkaisija) ja dimensioton massaosuus. Kuvasta nähdään, että palamisprosessin pääkomponenttien ennuste VLES-menetelmällä on yleisesti ottaen hyvin sopusoinnussa koetulosten kanssa. Lämpötilan hajaantuneisuus eri alavirran kohdissa seosfraktiotilassa on esitetty kuvassa 6. Kuvasta näkyy, että VLES-menetelmällä ennustettu hajajakautumatrendi on periaatteessa yhdenmukainen koetulosten kanssa ja vain laskettu lämpötilan ääriarvo on hieman kokeellista arvoa korkeampi. VLES:n laskema hetkellisen pyörteen, lämpötilan ja erottelukyvyn säätöfunktion jakauma on esitetty kuvassa 7, jossa kiinteä viiva on Zst=0.351. Kuvasta voidaan nähdä, että ydinsuihkualueella esiintyy voimakasta turbulenttia pulsaatiota ja virtauskentän kehittyessä myötävirtaan pyörrerakenteen mittakaava kasvaa vähitellen. Kuten kuvasta 7 (b) ja (c) voidaan nähdä, useimmilla kemiallisten reaktioiden alueilla resoluution ohjausfunktio on välillä 0 ja 1, mikä osoittaa, että paikallisverkon resoluutio voi kaapata suuren mittakaavan turbulenssia ja simuloida vain pienimuotoista turbulenssia mallin kautta. Tällä hetkellä VLES toimii likimääräisenä suuren pyörteen simulointiratkaisutilana. Suihkuleikkauskerroksessa ja alavirran liekin ulkoreunassa resoluution ohjaustoiminto on lähellä 1:tä, mikä osoittaa, että laskennallisen ruudukon katkaistu suodatinasteikko on suurempi kuin paikallinen turbulenssiasteikko. Tällä hetkellä VLES käyttäytyy epävakaana Reynoldsin keskimääräisenä ratkaisumoodina. Yhteenvetona voidaan todeta, että VLES-menetelmällä voidaan toteuttaa useiden turbulenssiratkaisumuotojen muunnos pyörteen rakenteen evoluution reaaliaikaisten ominaisuuksien mukaan ja se voi ennustaa tarkasti epävakaa palamisprosessin turbulenteissa liekeissä.

Suuri pyörresimulaatio täydellisestä sumutusprosessista

Suurin osa lentokoneen moottorin palotilassa käytetystä polttoaineesta on nestemäistä polttoainetta. Nestemäinen polttoaine tulee polttokammioon ja käy läpi primaarisen ja sekundaarisumutusprosessin. Nestemäisen polttoaineen täydellisen sumutusprosessin simuloinnissa on monia vaikeuksia, mukaan lukien kaasu-neste kaksivaiheisen topologisen rajapinnan konfiguraation sieppaaminen, nestepylvään muodonmuutos ja repeäminen, nestemäisten nauhojen ja nestefilamenttien hajoaminen pisaroiksi sekä turbulenttisen virtauksen ja pisaroiden välinen vuorovaikutus. Huang Ziwei [19] kehitti täydellisen sumutusprosessin simulointimallin, joka perustuu VLES-menetelmään yhdistettynä VOFDPM-hybridisumutuksen laskentamenetelmään, toteuttaen koko prosessin numeerisen polttoaineen sumutussimuloinnin jatkuvasta nesteestä erillisiin pisaroihin.

Äskettäin kehitetyllä sumutusprosessisimulaatiomallilla suoritettiin korkean tarkkuuden numeerisia laskelmia klassisesta lateraalivirtausnestekolonnin sumutusprosessista ja tehtiin yksityiskohtainen vertailu avoimen kirjallisuuden [20] kokeellisiin tuloksiin ja suurten pyörteiden simulaation laskentatuloksiin [21]. Laskentaesimerkissä kaasufaasi on ilma, jonka nopeus on 77.89 ja 110.0 m/s, ja nestefaasi on nestemäinen vesi, jonka nopeus on 8.6 m/s. Vastaavat Weber-luvut ovat 100 ja 200. Toissijaisen hajoamisprosessin simuloimiseksi paremmin hajoamismallissa käytetään Kelvin-Helmholtzin ja Rayleigh-Taylorin (KHRT) mallia.

VLES:n Weber-luvun 100 ehdolla ennustama täydellinen sumutusprosessi on esitetty kuvassa 8. Kuten kuvasta näkyy, alkualueelle muodostuu ohut nestepatsaslevy, jonka jälkeen nestepatsas hajoaa nestenauhoiksi ja nestesäikeiksi ja hajoaa pisaroiksi aerodynaamisen voiman vaikutuksesta ja pisarat hajoavat edelleen pienemmiksi pisaroiksi toissijaisen hajoamisen kautta. VLES:n Weber-luvun 100 ehdolla laskema virtausnopeus ja pyörteiden jakauma poikkisuuntaisena on esitetty kuvassa 9. Kuten kuvasta voidaan nähdä, nestepatsaan suojanpuoleisella puolella on tyypillinen hidaskierrosvyöhyke. Välittömästä pyörteiden jakautumisesta voidaan todeta, että nestepatsaan tuulenpuoleisella puolella on vahva pyörrerakenne ja voimakas turbulentti liike hidaskierrosvyöhykkeellä edistää nestepatsaan levyn repeytymistä ja pisaroiden muodostumista.

Suihkun alkuhalkaisijan suhde nestesuihkun minimivirtausmittaan, kun nestepatsas alkaa hajota eri Weber-lukujen alla, on esitetty kuvassa 10. Kuvassa di on nestesuihkun pienin virtausmitta, kun nestepatsas alkaa hajota, ja D3 on nestesuihkun alkuperäinen halkaisija. Kuvasta voidaan nähdä, että VLES-laskennan tulokset ovat hyvin sopusoinnussa kokeellisten tulosten kanssa, jotka ovat parempia kuin kirjallisuuden suurten pyörteiden simulaatiolaskentatulokset [21].

Palamisen epävakaus Erittäin suuri pyörresimulaatio

Vähäpäästöisten vaatimusten täyttämiseksi siviililentokoneiden polttokammiot suunnitellaan yleensä esisekoitetulla tai osittain esisekoitetulla laihalla poltolla. Laihalla esisekoitetulla poltolla on kuitenkin huono stabiilisuus ja se on altis herättää termoakustisesti kytkettyjä värähtelypolttotiloja, mikä johtaa palamisen epävakauteen. Palamisen epävakaus on erittäin tuhoisaa, ja siihen voi liittyä ongelmia, kuten takaisku ja kiinteä muodonmuutos, mikä on huomattava ongelma palokammion suunnittelussa.

Palamisen epävakauden numeerinen laskenta voidaan jakaa kahteen kategoriaan: irrotusmenetelmä ja suora kytkentämenetelmä. Irrotetun palamisen epävakauden ennustemenetelmä erottaa epätasaisen palamisen ja akustiset ratkaisut. Epätasainen palaminen vaatii suuren määrän numeerisia laskentanäytteitä luotettavan liekinkuvaustoiminnon rakentamiseksi. Suuren pyörteen simulaatiolaskentamenetelmää käytettäessä sen laskentaresurssien kulutus on liian suuri. Suorakytkennän laskentamenetelmä perustuu kokoonpuristettavaan ratkaisumenetelmään, ja se saa suoraan tuloksen palamisen epävakaudesta korkean tarkkuuden epävakaa laskennan avulla, eli epätasaisen palamisen ja akustiikan kytkentälaskentaprosessi tietyissä käyttöolosuhteissa valmistuu kerralla samassa laskentakehyksessä.

Huang et al. [27] kehitti VLES-menetelmään perustuvan palamisen epävakauden laskentamallin yhdistettynä sakeutuvan liekin laskentamenetelmään ja saavutti tarkan ennusteen epävakaasta palamisprosessista akustisen virityksen alaisena. Laskentaesimerkki on Cambridgen yliopiston kehittämä tylppärunkoinen stationaarinen eteeni/ilma täysin esisekoitettu liekki, jonka ekvivalenssisuhde on 0.55 ja Reynoldsin luku noin 17000. VLES-laskennan tulosten ja akustisen virityksen epävakaan liekin dynaamisten ominaisuuksien kokeellisten tulosten vertailu näkyy kuviosta 12. prosessissa liekki kiertyy sisä- ja ulkoleikkauskerroksissa ja kehittyy vastakkaiseen suuntaan pyöriväksi pyörrepariksi. Tässä prosessissa sienen muotoisen liekkiprofiilin kehitys jatkuu vaihekulman muuttuessa. VLES-laskentatulokset toistavat hyvin kokeessa havaitut liekin kehittymisen ominaisuudet. Eri laskentamenetelmillä ja kokeellisilla mittauksilla saadun lämmönluovutusnopeusvasteen amplitudin ja vaihe-eron vertailu 160 Hz:n akustisella virityksellä on esitetty kuvassa 13. Kuvassa Q' ja Q͂ ovat sykkivä lämmön vapautuminen ja palamisen keskimääräinen lämmön vapautuminen, vastaavasti, A on sinimuotoisen akustisen virityksen amplitudi ja kuvan 13 (b) ordinaatta on akustisen virityksen alaisen palamisen ohimenevän lämmön vapautumissignaalin ja tulonopeuden herätesignaalin välinen vaihe-ero. Kuten kuvasta voidaan nähdä, VLES-menetelmän ennustetarkkuus on verrattavissa suurten pyörteiden simulaation tarkkuuteen [28], ja molemmat ovat hyvin sopusoinnussa kokeellisten arvojen kanssa. Vaikka epävakaa RANS-menetelmä ennustaa epälineaarisen vasteen trendin, lasketut kvantitatiiviset tulokset poikkeavat suuresti kokeellisista arvoista. Vaihe-erotuloksille (Kuva 13 (b)) VLES-menetelmällä ennustettu vaihe-eron trendi häiriöamplitudilla on periaatteessa yhdenmukainen kokeellisten tulosten kanssa, kun taas suurten pyörteiden simulaatiotulokset eivät ennusta yllä olevaa trendiä hyvin.