Tutkimus edistymisestä lentokoneen moottorin polttohuoneen aerodynaminen suorituskyky pohjautuu suuri eddy simulaatioon

Tutkimus edistymisestä lentokoneen moottorin polttohuoneen aerodynaminen suorituskyky pohjautuu suuri eddy simulaatioon

Polttotila on yksi lentokoneen moottorin ydinkomponenteista, ja polttotilan aerodyynaaminen suorituskyky näyttää ratkaisevan roolin koko moottorin toiminnassa. Jotta voidaan täyttää moottorin tekniset vaatimukset polttotilalle, polttojärjestelmän tila ja virtausominaisuudet ovat muuttuneet erittäin monimutkaisiksi. Hieman hidastus- ja paineennousu-prosessi diffusaattorissa voi kohtata virtauseristymistä voimakkaan vastapaine-gradientin alla; ilmavirta kulkee usean vaiheen pyörteilylaitteiden kautta, mikä muodostaa suuren mittakaavan pyörteilyrakenteen, joka edistää yhdellä puolella nestemekon hajoamista ja hienosulatusprosessia sekä vahvasti pulssivaa epätasaisesti sekoitettua sekoitusta polttoaineen kanssa, ja toisella puolella se luo pysyvän liekin aerodyynaamisessa takaisinvirtausalueessa. Pään polttoputken/sekoitusaukon monihiushieno virtaa vuorovaikuttelevat sivullisen virtauksen kanssa liekkikanavassa, mikä muodostaa vastakkain pyörimisen pyörteilyparin, mikä vaikuttaa merkittävästi turvalliseen sekoittumiseen. Virtauksen perusteella monitasoiset fysiikka- ja kemialliset prosessit, kuten hajoaminen ja hienosulatus, sekoittuminen, kemiallinen reaktio ja vuorovaikutus väliintulevien häiriöiden ja liekin välillä, ovat tiiviisti sidoksissa keskenään, mikä määrittää polttotilan aerodyynaamiset ominaisuudet. Nämä fysiikka- ja kemialliset prosessit mallintaminen ja laskea tarkasti on aina ollut kotimaisten ja ulkomaiden tutkimuksen keskeinen aihe.

Himoitumis-, hajoamis-, sekoitus- ja poltto-prosessit polttoputkessa kehittyvät ja muuttuvat turbulenttisen virtauksen ympäristössä, joten virtaus on perusta polttoputken aerodyynaamisen suorituskyvyn simulaatiolle. Turbulenssin perusominaisuus on se, että virtausparametrit näyttävät satunnaisen pulssauksen epälineaarisen konvektioprosessin vuoksi. Turbulenssissa on monia pyörteitä sisältäviä rakenteita. Erilaisten pyörteiden mittakaavojen pituus- ja aikamoottien erot ovat valtavat, ja kun Reynolds-luku kasvaa, mittakaavojen väliset erot kasvavat nopeasti. Turbulenssin simulaatio riippuu siitä, mitä osuutta turbulenttisia pyörteitä ratkaistaan suoraan.  menetelmiä jaetaan suoraan numeeriseksi simulointiaksi (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), suuri eddy-simulointi (LES) sekä sekoitetuiksi virtausmallinnusmenetelmiksi. RANS-menetelmää, jota käytetään laajasti insinöörimenetelmissä, käytetään turbulenttisen keskimääräisen kentän ratkaisemiseen ja mallin simuloimiseen kaikkiin turbulenttisiin pulssitietoihin. Laskennallinen määrä on pieni, mutta tarkkuus on huono. Voimakkaissa pyörteissä ja epätasaisissa virtaustilanteissa polttohuoneessa RANS ei voi täyttää vaatimuksia hienosti suunniteltaville prosesseille. Pitsch korosti, että LES:n laskennallinen monimutkaisuus sijaitsee RANS:n ja DNS:n välillä, ja sitä käytetään tällä hetkellä keskitön avaruuden turbulenttisten syttymisenlaskentojen kanssa keskityksessä kohtuullisiin ja alhaisiin Reynolds-numeroihin. Turbulenssin pieni mittakaava polttohuoneen seinämäisimmässä alueessa sekä virtauksen korkea Reynolds-numero johtavat siihen, että yksittäisen polttohuoneen päätteen LES-laskennan verkkopisteiden määrä on useita satoja miljoonia tai miljardia. Tällainen korkea laskennallinen resurssinkulutus rajoittaa LES:n laajempaa käyttöä polttohuoneiden simulaatioissa.

Korkean tarkkuuden laskentamallien ja menetelmien kehittäminen perustuen Todella Suureen Eddy-simulaatioon (VLES) ja Hybrid RANS-LES -menetelmien kehyksiin on tärkeä suunta numeerisessa simuloinnissa. Hanin ymmärtämä VLES-menetelmä ratkaisee ongelman alhaisesta laskennallisesta tehokkuudesta, joka johtuu suodatettujen ruudun skaaloihin ja turbulenssin skaaliin liittyvistä vastaavuusrajoituksista perinteisessä LES: ssä, ja toteuttaa kuppailumallinnuksen moniskaalisen riippuvuuden, väliaikaisen evoluution ominaisuuksien ja ruudun resoluution välillä. VLES säätää dynaamisesti turbulenssimallinnuksen ja -ratkaisun suhdetta perustuen reaaliaikaiseen vorton evoluution ominaisuuksiin, mikä merkittävästi vähentää laskentaan kuluvia kustannuksia samalla kun varmistaa laskevan tarkkuuden.

Kuitenkin, vertaillaanpa se perinteiseen LES:ään, VLES:n teoriaa ja ominaisuuksia ei ole tutkittu tai käytetty laajasti. Tässä artikkelissa esitellään järjestelmällisesti VLES:n mallintamisteoriaa ja sen soveltamisvaikutuksia erilaisissa fysiikoita koskevissa tilanteissa, jotka liittyvät polttohuoneisiin, edistämällä VLES:n suurta käyttöä lentokoneen moottorien polttohuoneen simuloinnissa.

Suuri Turbulenssi Simulointimenetelmä

Turbulenssimallinnusmenetelmien vaikutus laskentaresurssien kulutukseen ja malleihin näkyy kuvassa 1. RANS-, LES- ja VLES-menetelmät saavuttavat virtausmallinnuksen turbulenssimallinnan kautta. On huomioitava, että VLES:lle annettiin ensimmäinen selvä määritelmä Popen toimesta, mikä tarkoittaa "laskennallinen ruudukko on liian hajottamaton, joten suoraan ratkaistu turbulenttinen kineettinen energia on alle 80 % kokonaisesta turbulenttisestä kineettisestä energiasta". Samalla Pope [6] määritteli LES:n seuraavasti: "laskennallinen ruudukko on erittäin hieno, joten suoraan ratkaistu turbulenttinen kineettinen energia on yli 80 % kokonaisesta turbulenttisestä kineettisestä energiasta". Kuitenkin tässä artikkelissa esitellyt VLES-menetelmät ovat uusi laskennallinen menetelmä, joka on mallinnut ja kehittänyt aiemman menetelmän pohjalta. Vaikka nimet ovat samat, tämä uusi VLES-menetelmä eroaa olennaisesti Popen määrittelemästä VLES-menetelmästä. Kuten kuva osoittaa, perinteiset turbulenssimallit ovat RANS, URANS, hybridimalli RANS/LES, LES ja DNS laskevuuden mukaan. Uuden mallipuitteen alla turbulenssimallit jakautuvat RANS-, VLES- ja DNS-malleihin laskevuuden mukaan. Toisin sanoen VLES-menetelmä toteuttaa useiden perinteisten turbulenssimallien yhdistämisen, ja eri mallit siirtyvät sopeutuneesti ja sileästi paikallisten ominaisuuksien mukaan todellisissa laskennissa.

Tyypillisten fysikaalisten prosessien simulaatio polttohuoneessa

Erittäin suuren eddy-simulaation (VLES) vahvasta pyörteisestä virtauksesta

Ilmailumoottorin polttohuone käyttää usein monitasoista pyörteilyä ja vahvaa pyörteilyä sisältäviä virtauskenttien järjestelymuotoja. Pyörteilyvirtaus on perustavanlaatuinen virtaustyypin polttohuoneessa. Koska pyörteily on dominoiva sekä virtaus- että tangentiaalisessa suunnassa, sen turbulentti pulsaus on anisotropisempi kuin perinteisessä putkivirtaussa, kanavavirtaussa tai suihkuvirtaussa. Siksi pyörteilyn numeerinen simulointi asettaa suuren haasteen turbulenssimenetelmille. Xia ja kollegat käyttivät VLES-menetelmää laskemaan klassisen vahvan pyörteilyn esimerkin putkissa; Dellenback ja kollegat [14] tekivät virtauskenttäkokeita tästä esimerkistä ja heillä on yksityiskohtaisia kokeellisia tietoja. Lasketun esimerkin virrannen Reynolds-luku on 1.0 × 105 (perustuen pyörähtävän putken hupen) ja pyörteisyysluku on 1,23. Laskennassa käytetään kahta rakenneruutua. Harventuneiden ruutujen (M1) kokonaismäärä on noin 900 000 ja salakuvaisten ruutujen (M2) kokonaismäärä on noin 5,1 miljoonaa. Laskennalla saadut tulokset tilastollisista momenteista verrataan lisäksi kokeellisiin tuloksiin VLES-menetelmän laskennallisen tarkkuuden varmistamiseksi.

Laskentatulosten vertailu eri menetelmien välillä ja kokeelliset tulokset radiaalijakauman keskimääräisestä ympyräsymmetrisestä nopeudesta ja pulsaaessa nopeudesta eri alasvirtaisissa asemissa vahvassa pyörteissä olevassa virtauksessa on esitetty kuvassa 4. Kuvassa vaakasuuntaiset ja pystysuuntaiset koordinaatit ovat mitattomat etäisyydet ja mitattomat nopeudet, joista D1 on suorapuhaltimen halkaisija ja Uin on puhaltimen keskimääräinen nopeus. Kuvasta voidaan nähdä, että virtauskenttä näyttää tyypilliseltä Rankin-mallisen monikierroksen muodolta, joka siirtyy vähitellen yhdeksi kiinteäksi kappaleeksi olevaksi virvoiseksi. Laskennallisten ja kokeellisten tulosten vertailussa havaitaan, että VLES-menetelmällä on korkea laskennallinen tarkkuus vahvan pyörteissä olevan virtauksen ympyräsymmetrisen nopeuden ennustamisessa, mikä on hyvin yhteneväinen kokeellisten mittauksien kanssa. Perinteinen RANS-menetelmä antaa erittäin suuren poikkeamisen pyörteissä olevan virtauksen laskennassa eikä se voi ennustaa oikein pyörteissä olevan virtauskentän tilastollista kehittyämistä tai turbulenttia pulssimista. Vertailussa VLES-menetelmällä on erittäin korkea tarkkuus keskimääräisen nopeuskentän, pulssivaan nopeuskentän ja tilastollisen evoluution ennustamisessa monimutkaisessa vahvassa pyörteissä olevassa virtauksessa, ja se säilyttää edelleen korkean laskennallisen tarkkuuden jopa suhteellisen harventuneella ruudukon resoluutiolla. Ympyräsymmetrisen keskimääräisen nopeuden ennustamisessa VLES-menetelmän laskentatulokset ovat periaatteessa yhteneviä kahdessa eri ruudukon resoluution, harventuneessa ja tiheässä, joukossa.

Suuri Eddy-simulaatio turbulentista poltosta

Tarkoituksena tutkia VLES-menetelmän soveltuvuutta turbulenttien poltto-ongelmien ennustamiseen [15-16], kehitettiin turbulentti-poltto-malli, joka perustuu VLES-menetelmään ja on yhdistetty flamlet-luomien monistojen (FGM) kanssa. Perusideana on olettaa, että turbulentti liekitulku omaksuu paikallisesti yksiulotteisen laminoidun liekitulksen rakenteen ja että turbulentin liekintäpinnan voi ajatella sarjan laminoiden liekintäpintojen keskiarvona. Siksi korkeaman ulottuvuuden koosteen tila voidaan kuvata matala-ulottuvuudellisella virtausmusterolla, joka koostuu useista ominaismuuttujista (sekoitussuhde, reaktioedistyssuure jne.). Tarkasteltaessa yksityiskohtaista reaktiomekanismia ratkaistavien kuljetusehtojen lukumäärä vähenee huomattavasti, mikä vähentää laskenta-aikaa merkittävästi.

Tarkka toteutusprosessi on rakentaa FGM-laminalidatataulu sekoitusosuuden ja reaktioedistymismuuttujien perusteella, ottaa huomioon turbulenttisen polttoaineen välityksen olettaen todennäköisyys tiheysfunktiomenetelmän integroimalla laminalidatataulukon, ja näin hankkia turbulenttiset datataulukot. Numerisessä laskennassa ratkaistaan sekoitusosuuden, reaktioedistymismuuttujien ja niiden vastaavien varianssien siirtoyhtälöt, ja saadaan tietoja polttoperustiedoteista kyselyn avulla turbulenttisesta datataulukosta.

Turbulenttinen poltto-malli, joka perustuu VLES- ja FGM-menetelmiin, käytettiin numeroiden laskennassa metaanin/ilmavarojen turbulenttisesta jet-flamusta (Flame D), jonka Sandia-laboratorio Yhdysvalloissa mittaili, ja tehtiin kvantitatiivisia vertailuja kokeellisten mittausaineistojen kanssa. Sandian Flame D -esimerkin polttoaine (Reynoldsin luku on 22400) on täydellinen seos metaanista ja ilmavaroista tilavuussuhteessa 1:3, polttoaineen syöttönopeus on noin 49,9 m/s ja hämäräalueen nopeus noin 11,4 m/s. Tehtävänä oleva flamme on seos palanneesta metaanista ja ilmavaroista, ja hämäräalueen aine on pureiltaan ilmakehä. Laskenta käyttää rakennerettien käyttöönottoa, ja reittien kokonaismäärä on noin 1,9 miljoonaa.

Keskimääräisen massajakson eri komponenttien jakautuma akselilla on kuvattu kuvassa 5. Kuvan vaakasuora ja pystysuora koordinaatti ovat mitätön etäisyys (D2 on suhteellinen halkaisija) ja mitätön massajakso, vastaavasti. Kuvasta nähdään, että VLES-menetelmän ennuste poltto-prosessin pääkomponenteista on yleisesti ottaen hyvin sopiva eksperimenttien tulosten kanssa. Kuva 6 osoittaa lämpötilan hajontajakauman eri alapuolisen sijainnin sekaannusosuuden tilassa. Kuvasta nähdään, että VLES-menetelmän ennustama hajonta-jakauma on periaatteessa yhteneväinen eksperimenttien tulosten kanssa, ja vain laskettu lämpötilan ääriarvo on hieman korkeampi kuin eksperimentti-arvo. VLES:n laskema hetkellisen pyörteilyvoiman, lämpötilan ja resoluution hallintafunktion jakauma on esitetty kuvassa 7, jossa vakioviiva otetaan Zst=0.351. Kuvasta nähdään, että ytimen jet-alueella esiintyy voimakkaita viritteitä, ja kun virtauskenttä kehittyy alapuolelle, pyörrestruktuurien mittakaava kasvaa vähitellen. Kuvasta 7 (b) ja (c) nähdään, että useimmissa kemiallisissa reaktioalueissa resoluution hallintafunktio on välillä 0 ja 1, mikä tarkoittaa, että paikallinen ruudun resoluutio kykenee kiinnittämään suuret viritteet ja simuloimaan vain pieniä viritteitä mallin kautta. Tällöin VLES käyttäytyy likimain suuren pyörreennusteen ratkaisumoodissa. Jetin leikkaussuoralla ja alasvirtaisten liekin ulkopuolella resoluution hallintafunktio on lähellä 1, mikä tarkoittaa, että laskennallisen ruudukon katkaistu suodatinaste on suurempi kuin paikallinen viritemittakaava. Tällöin VLES käyttäytyy epävaknaisten Reynoldsin keskiarvon ratkaisumoodissa. Yhteenvetona voidaan todeta, että VLES-menetelmä voi toteuttaa useiden viritteen ratkaisumallien muunnoksen reaaliajassa pyörrestruktuurien evoluution ominaisuuksien mukaan ja se voi ennustaa tarkasti epävakaiden poltto-prosessien kulku turvallisten liekkien ympärillä.

Suuren eddy-simulaation täydellinen atomisaatio prosessi

Suurin osa polttoaineesta, jota käytetään lentokoneen polttohuoneessa, on nestemäinen polttoaine. Nestemäinen polttoaine kulkee polttohuoneeseen ja kokee ensisijaisen atomisaation ja toissijaisen atomisaation prosessit. Nestemäisen polttoaineen täydellisen atomisaatio prosessin simulaatiassa on monia haasteita, mukaan lukien kaapale-neseluittymän topologisen rajapinnan konfiguraation kiinnittäminen, nestesarakkeen muodonmuutos ja rikkiprosessi, nestepintojen ja -kihlien hajoaminen pisteiksi sekä turbulenttien virtauksien ja pisteiden välinen vuorovaikutus. Huang Ziwei [19] kehitti täydellisen atomisaatio prosessin simulaatiomallin perustuen VLES-menetelmään yhdistettynä VOFDPM-sekoitusatomisaatiolaskentamenetelmään, toteuttamalla polttoaineen atomisaation numeerisen simulaation koko prosessista nestestä diskreetteihin pisteisiin.

Uusien kehitettyjen atomisaatioprosessin simulaatiomalli käytettiin suorittamaan korkean tarkkuuden numeerisia laskentia perinteisestä sivuainestoa sisältävän virtausten atomisaatioprosessista, ja sitä verrattiin yksityiskohtaisesti avoimen kirjallisuuden kokeellisiin tuloksiin [20] sekä suurten eddy-simulaatiolaskennan tuloksiin [21]. Laskennassa kaasuvaihe on ilmakehäsuhdanteilla 77,89 ja 110,0 m/s, ja nestevaihe on vesi nopeudella 8,6 m/s. Vastaavat Weberin numerot ovat 100 ja 200. Toisena osana simulointia atomisaatiomalli käyttää Kelvin-Helmholtzin ja Rayleigh-Taylorin (KHRT) mallia paremman toisen järjestelmän hajoamisen simuloimiseksi.

VLES:n ennustama täydellinen atomisaatio prosessi Weberin numeron 100 ehdoilla näytetään kuvassa 8. Kuten kuva osoittaa, alueen alussa muodostuu ohut nestemainen pylväs, jonka jälkeen nestepylväs murtuu nestesuikaleiksi ja -kiertyviksi, jotka taas murtuvat pudotiksi ilmanvirtauksen vaikutuksesta, ja pudot ikävän toisessa hajottamisessa pienemmiksi pudotiksi. VLES:n laskema virtausnopeus ja leveyssuuntainen pyörteisyysjakauma Weverin numeron 100 ehdoilla näytetään kuvassa 9. Kuten kuva osoittaa, nestepylväksen tuulenpäin puolella on tyypillinen hitaanopeinen uudelleenkiertovirta-alue. Hetkellisen pyörteisyysjakauman perusteella voidaan havaita, että nestepylväksen tuulenpäin puolella esiintyy voimakas pyörremyrskystruktuuri, ja hitaanopeuden uudelleenkiertovirta-alueen voimakkaita turbulenttisia liikkeitä edistää nestepylväksen hajoamista pudotiksi ja niiden muodostumista.

Suhteista alkujaetteen halkaisijaan ja vähimmäisvirtausdimensioon, kun nestesarakkeen hajoaminen alkaa eri Weberin luvuilla, on esitetty kuvassa 10. Kuvassa di on vähimmäisvirtausdimensio nestejätteelle, kun nestesarakkeen hajoaminen alkaa, ja D3 on alkunestejätteen halkaisija. Kuvasta nähdään, että VLES-laskentatulokset ovat hyvin yhteneviä kokeellisten tulosten kanssa, jotka ovat parempia kuin kirjallisuudessa [21] mainitut suuria rakoiluja simuloivat laskentatulokset.

Polttovaimen epävakaus Suuret rakokumppailu-simulaatio

Alhaisen ilmastonvaikutuksen vaatimusten täyttämiseksi siviilien lentokoneiden polttohuoneet suunnitellaan yleensä esipolttuja tai osittain esipolttuja vähäisempiä polttoja varten. Kuitenkin vähäisempi esipolttu poltto on epästabiili ja se herättää helposti termoakustisesti kytketyt värähtelypoltomoodit, jotka johtavat polttoneston epästabiiliuteen. Polttoneston epästabiilius on erittäin tuhoisa ja saattaa aiheuttaa ongelmia, kuten takapoltto ja kiinteän muodon muutos, mikä on merkittävä ongelma, johon polttohuoneen suunnittelu kohtaa.

Polttovuorovaikutuksen numeerinen laskenta voidaan jakaa kahteen luokkaan: irrotusmenetelmään ja suoraan yhdistämismenetelmään. Irrotettu polttovuorovaikutuksen ennustemenetelmä irroittaa epätasaisen poltto- ja akustisen ratkaisun. Epätasainen polttaminen vaatii suuren määrän numeerisia laskentanäytteitä luotavan liekin kuvausfunktion rakentamiseksi. Jos käytetään suuria eddy-simulaatiolaskentamenetelmiä, niiden laskennallinen resurssinkulutus on liian suuri. Suoran yhdistämismenetelmän perusta on tiivistymislaskentamenetelmällä, ja se saa polttovuorovaikutuksen tuloksen suoraan korkean tarkkuuden epätasaisesta laskennasta, eli annettujen toimintaehtojen alla samaan laskentakehykseen kuuluva prosessi valmistellaan kerralla epätasaisten poltto- ja akustisten ilmiöiden yhdistelmästä.

Numerisen simuloinnin tutkimuksessa polttoaseman epävakaan tilan erottelussa Huang ja kollegat [27] kehittivät polttoaseman epävakausilaskentamallin, joka perustuu VLES-menetelmään, joka on yhdistetty paksennettua liekkiä laskeneeseen menetelmään, ja saavuttivat tarkkan ennusteen epävakaiden poltto-olojen prosessista akustisen herättämisen alla. Laskennallinen esimerkki on terävästi muotioitu vakaa eteensy/aavikko täysi esikypselyliekki, jonka kehitti Cambridge-yliopisto, jossa ekvivalenssisuhde on 0.55 ja Reynolds-luku noin 17000. VLES-laskentatulosten ja kokeellisten tulosten vertailu epävakaiden liekin dynaamisten ominaisuuksien osalta akustisen herättämisen alla näytetään kuvassa 12. Kuvasta nähdään, että syötteen herättämisen aikana liekki pyörtelee sisäisillä ja ulkoisilla leikkauskerroilla ja kehittyy vastakkaiseen pyörteilyyn suuntautuneeksi pyörrepariaksi. Tässä prosessissa sienimuotoisen liekkiprofiilin evoluutio jatkuu vaihekulman muutoksen mukana. VLES-laskentatulokset toistavat hyvin liekkievolution ominaisuuksia, jotka havaittiin kokeessa. Amplitudin ja vaihekulman vertailu eri laskentamenetelmillä ja kokeellisilla mittauksilla saatujen 160 Hz:n akustisen herättämisen alla olevien lämpöpäästövastauksien välillä näytetään kuvassa 13. Kuvassa Q' ja Q ͂ ovat syttyneisyyden pulsaahtava ja keskimäärinnetty lämpötila, A on sinusoideinen äänieniön amplitudi, ja kuva 13 (b) osoittaa vaihe-eron syttyneisyyden välillä tilapäisen lämpötilan signaali äänieniön alaisena ja ilmanopeuden signaali. Kuten voidaan nähdä kuvasta, VLES-menetelmän ennustetarkkuus on vertailukelpoinen suuren eddy simulaation tarkkuuden kanssa [28], ja molemmat ovat hyvin yhdenmukaisia kokeellisten arvojen kanssa. Vaikka epävakio RANS-menetelmä ennustaa epälineaarisen vastauksen trendin, laskennalliset määrälliset tulokset poikkeavat huomattavasti kokeellisista arvoista. Faseerotuloksille (kuva 13 (b)) VLES-menetelmän ennustama vaste häiriölle amplitudilla on periaatteessa sama kuin kokeelliset tulokset, kun taas suuren eddy simulaation tulokset eivät ennusta kyseistä trendiä hyvin.