La chambre de combustion est l'un des composants principaux d'un moteur d'avion, et les performances aérodynamiques de la chambre de combustion jouent un rôle essentiel dans les performances de l'ensemble du moteur. Afin de répondre aux exigences techniques de plus en plus strictes du moteur pour la chambre de combustion, le mode d'organisation de la combustion et les caractéristiques d'écoulement à l'intérieur de la chambre de combustion sont devenus très complexes. Le processus de décélération et de pressurisation du diffuseur peut faire face à une séparation d'écoulement sous un fort gradient de pression défavorable ; le flux d'air traverse un dispositif de tourbillonnement à plusieurs étages pour former une structure de vortex à grande échelle, qui d'une part favorise l'atomisation et l'évaporation du carburant liquide et forme un mélange instable à forte pulsation avec le carburant, et d'autre part génère une flamme stationnaire dans la zone de recirculation aérodynamique ; les jets multiples du trou de combustion/mélange principal interagissent avec l'écoulement latéral dans le tube à flamme pour former une paire de vortex contrarotatifs, qui a une influence importante sur le mélange turbulent. Sur la base de l'écoulement, des processus physiques et chimiques multi-échelles tels que l'atomisation et l'évaporation, le mélange, la réaction chimique et l'interaction entre la turbulence et la flamme sont fortement couplés, ce qui détermine conjointement les caractéristiques aérodynamiques de la chambre de combustion. La modélisation et le calcul de haute précision de ces processus physiques et chimiques ont toujours été un sujet de recherche brûlant en Allemagne et à l'étranger.
Les processus d'atomisation, d'évaporation, de mélange et de combustion dans la chambre de combustion se développent et évoluent dans un environnement d'écoulement turbulent, de sorte que l'écoulement est la base de la simulation des performances aérodynamiques de la chambre de combustion. La caractéristique fondamentale de la turbulence est que les paramètres d'écoulement présentent une pulsation aléatoire due au processus de convection non linéaire. La turbulence contient de nombreuses structures tourbillonnaires. Les portées des différents tourbillons en termes de longueur et d'échelles de temps sont énormes, et à mesure que le nombre de Reynolds augmente, les portées entre les échelles augmentent fortement. Selon la proportion de structures tourbillonnaires turbulentes qui sont directement résolues, la simulation de la turbulence Les méthodes sont divisées en simulation numérique directe (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), simulation des grands tourbillons (LES) et méthodes de simulation de turbulence mixte. La méthode RANS, qui est largement utilisée en ingénierie, résout le champ moyen turbulent et utilise un modèle pour simuler toutes les informations de pulsation turbulente. La quantité de calcul est faible, mais la précision est médiocre. Pour les processus de tourbillonnement fort et d'écoulement instable dans la chambre de combustion, RANS ne peut pas répondre aux exigences d'une conception raffinée. Pitsch a souligné que la complexité de calcul de LES se situe entre RANS et DNS, et est actuellement utilisée pour les calculs de combustion turbulente dans des espaces sans restriction avec des nombres de Reynolds moyens et faibles. En raison de la petite échelle de turbulence dans la zone proche de la paroi de la chambre de combustion et du nombre de Reynolds élevé de l'écoulement, la quantité de grilles requise pour le calcul LES d'une seule tête de la chambre de combustion se chiffre à elle seule en centaines de millions à des milliards. Une telle consommation élevée de ressources de calcul limite l’utilisation généralisée du LES dans les simulations de chambre de combustion.
L'élaboration de modèles et de méthodes de calcul de haute précision basés sur les cadres de simulation des très grands tourbillons (VLES) et de la méthode hybride RANS-LES est une tendance importante dans la simulation numérique. La méthode VLES développée par Han et al. résout le problème de faible efficacité de calcul causé par le filtrage de l'échelle de grille et la résolution des restrictions d'appariement d'échelle de turbulence dans les LES traditionnelles, et réalise une modélisation de couplage entre les caractéristiques multi-échelles de turbulence, les caractéristiques d'évolution transitoire et la résolution de la grille. , VLES ajuste de manière adaptative le rapport entre la solution de turbulence et la modélisation du modèle en fonction des caractéristiques en temps réel de l'évolution de la structure du vortex, réduisant considérablement les coûts de calcul tout en garantissant la précision du calcul.
Néanmoins, par rapport aux systèmes LES traditionnels, la théorie et les caractéristiques des systèmes VLES n'ont pas été largement étudiées et utilisées. Cet article présente systématiquement la théorie de modélisation des systèmes VLES et ses effets d'application dans divers scénarios physiques liés aux chambres de combustion, favorisant ainsi l'application à grande échelle des systèmes VLES dans le domaine de la simulation des chambres de combustion des moteurs d'avion.
Français L'influence des méthodes de simulation de turbulence sur la consommation de ressources informatiques et les modèles est illustrée dans la Figure 1. Les méthodes RANS, LES et VLES réalisent toutes une simulation d'écoulement par modélisation de turbulence. Il convient de noter que la première définition claire de VLES a été donnée par Pope, qui fait référence à « l'échelle de la grille de calcul est trop grossière de sorte que l'énergie cinétique turbulente directement résolue est inférieure à 80 % de l'énergie cinétique turbulente totale ». Dans le même temps, la signification de LES donnée par Pope [6] est « la grille de calcul est très fine de sorte que l'énergie cinétique turbulente directement résolue est supérieure à 80 % de l'énergie cinétique turbulente totale ». Néanmoins, il convient de noter que la VLES introduite dans cet article est une nouvelle méthode de calcul qui a été remodelée et développée sur la base de la méthode précédente. Bien que les noms soient les mêmes, la nouvelle méthode VLES est essentiellement différente de la méthode VLES définie par Pope. Comme le montre la figure, les modes de turbulence traditionnels sont RANS, URANS, hybride RANS/LES, LES et DNS par ordre de précision de calcul. Dans le cadre du nouveau modèle, les modes de turbulence sont divisés en RANS, VLES et DNS par ordre de précision de calcul. Autrement dit, la méthode VLES réalise l'unification de plusieurs modes de turbulence traditionnels, et différents modèles effectuent une transition adaptative et une conversion en douceur en fonction des caractéristiques locales dans les calculs réels.
La chambre de combustion d'un moteur d'avion adopte généralement des formes d'organisation du champ d'écoulement telles que le tourbillon à plusieurs étages et le tourbillon fort. L'écoulement tourbillonnaire est la forme d'écoulement la plus basique dans la chambre de combustion. Comme le tourbillon est dominant à la fois dans la direction d'écoulement et dans la direction tangentielle, la pulsation turbulente du tourbillon a une anisotropie plus forte que l'écoulement traditionnel dans un tuyau, dans un canal et dans un jet. Par conséquent, la simulation numérique du tourbillon pose un grand défi à la méthode de simulation de la turbulence. Xia et al. ont utilisé la méthode VLES pour calculer l'exemple classique d'écoulement tourbillonnaire fort dans le tube ; Dellenback et al. [14] ont mené des expériences de champ d'écoulement sur cet exemple et ont des données expérimentales détaillées. Le nombre de Reynolds d'écoulement de l'exemple calculé est de 1.0×105 (sur la base du diamètre du tube circulaire) et le nombre de tourbillons est de 1.23. Deux ensembles de grilles structurées sont utilisés dans le calcul. Le nombre total de grilles clairsemées (M1) est d'environ 900,000 2 et le nombre total de grilles cryptées (M5.1) est d'environ XNUMX millions. Les résultats de moment statistique obtenus par calcul sont ensuite comparés aux résultats expérimentaux pour vérifier la précision du calcul de la méthode VLES.
Français La comparaison des résultats de calcul de différentes méthodes et des résultats expérimentaux de la distribution radiale de la vitesse moyenne circonférentielle et de la vitesse pulsatoire à différentes positions en aval sous un fort écoulement tourbillonnaire est illustrée à la Figure 4. Sur la figure, les coordonnées horizontales et verticales sont respectivement la distance sans dimension et la vitesse sans dimension, où D1 est le diamètre du tuyau circulaire d'entrée et Uin est la vitesse moyenne d'entrée. Comme on peut le voir sur la figure, le champ d'écoulement montre un tourbillon composé typique de type Rankin se transformant progressivement en un tourbillon à corps rigide unique. En comparant les résultats de calcul et expérimentaux, on peut constater que la méthode VLES a une précision de calcul élevée pour la prédiction de la vitesse circonférentielle d'un fort écoulement tourbillonnaire, ce qui concorde bien avec la distribution des mesures expérimentales. La méthode RANS traditionnelle a un très grand écart dans le calcul de l'écoulement tourbillonnaire et ne peut pas prédire correctement l'évolution spatiale du champ d'écoulement tourbillonnaire et de la pulsation turbulente. En comparaison, la méthode VLES présente une très grande précision dans la prédiction du champ de vitesse moyen, du champ de vitesse pulsatoire et de l'évolution spatiale sous un écoulement tourbillonnaire complexe et peut toujours garantir une grande précision de calcul même avec une résolution de grille relativement faible. Pour la prédiction de la vitesse moyenne circonférentielle, les résultats de calcul de la méthode VLES sont fondamentalement cohérents avec deux ensembles de résolutions de grille faible et dense.
Afin d'étudier la faisabilité de la méthode VLES dans la prédiction des problèmes de combustion turbulente [15-16], un modèle de combustion turbulente basé sur la méthode VLES couplée aux collecteurs générés par les flammes (FGM) a été développé. L'idée de base est de supposer que la flamme turbulente a une structure de flamme laminaire unidimensionnelle localement, et que la surface de flamme turbulente est la moyenne d'ensemble d'une série de surfaces de flamme laminaires. Par conséquent, l'espace des composants de grande dimension peut être mis en correspondance avec un modèle d'écoulement de faible dimension composé de plusieurs variables caractéristiques (fraction de mélange, variable de progression de la réaction, etc.). Dans la mesure où le mécanisme de réaction détaillé est pris en compte, le nombre d'équations de transport à résoudre est considérablement réduit, ce qui réduit considérablement le coût de calcul.
Le processus de mise en œuvre spécifique consiste à construire le tableau de données laminaires FGM sur la base de la fraction de mélange et des variables de progression de la réaction, à prendre en compte l'interaction entre la combustion turbulente en supposant la méthode de la fonction de densité de probabilité pour intégrer le tableau de données laminaires, et ainsi obtenir le tableau de données turbulentes. Dans le calcul numérique, les équations de transport de la fraction de mélange, les variables de progression de la réaction et la variance correspondante sont résolues, et les informations sur le champ de combustion sont obtenues en interrogeant le tableau de données turbulentes.
Le modèle de combustion turbulente basé sur VLES et FGM a été utilisé pour effectuer des calculs numériques sur la flamme à jet turbulent méthane/air (Flamme D) mesurée par le laboratoire Sandia aux États-Unis, et des comparaisons quantitatives ont été faites avec les données de mesure expérimentales. Le matériau combustible de l'exemple Sandia Flame D (le nombre de Reynolds est de 22400) est un mélange complet de méthane et d'air avec un rapport volumique de 1:3, la vitesse d'entrée du combustible est d'environ 49.9 m/s et la vitesse de sillage est d'environ 11.4 m/s. La flamme de service est un mélange de méthane et d'air brûlés, et le matériau de sillage est de l'air pur. Le calcul utilise une grille structurée, et le nombre total de grilles est d'environ 1.9 million.
Français La distribution de la fraction massique moyenne des différents composants le long de l'axe est illustrée à la Figure 5. Les coordonnées horizontales et verticales sur la figure sont respectivement la distance sans dimension (D2 est le diamètre du tube du jet d'admission) et la fraction massique sans dimension. On peut voir sur la figure que la prédiction des principaux composants du processus de combustion par la méthode VLES est généralement en bon accord avec les résultats expérimentaux. La distribution dispersée de la température à différentes positions en aval dans l'espace de fraction de mélange est illustrée à la Figure 6. On peut voir sur la figure que la tendance de la distribution dispersée prédite par la méthode VLES est fondamentalement cohérente avec les résultats expérimentaux, et seule la valeur extrême de température calculée est légèrement supérieure à la valeur expérimentale. La distribution de la vorticité instantanée, de la température et de la fonction de contrôle de résolution calculée par VLES est illustrée à la Figure 7, où la ligne continue est prise comme Zst=0.351. On peut voir sur la figure que la zone du jet central présente une forte pulsation turbulente, et à mesure que le champ d'écoulement se développe en aval, l'échelle de la structure tourbillonnaire augmente progressivement. Comme le montrent les figures 7 (b) et (c), dans la plupart des zones de réaction chimique, la fonction de contrôle de résolution est comprise entre 0 et 1, ce qui indique que la résolution de la grille locale peut capturer la turbulence à grande échelle et simuler uniquement la turbulence à petite échelle à travers le modèle. À ce stade, VLES se comporte comme un mode de solution de simulation approximative de grands tourbillons. Dans la couche de cisaillement du jet et le bord extérieur de la flamme en aval, la fonction de contrôle de résolution est proche de 1, ce qui indique que l'échelle de filtre tronquée de la grille de calcul est plus grande que l'échelle de turbulence locale. À ce stade, VLES se comporte comme un mode de solution de moyenne de Reynolds instable. En résumé, on peut voir que la méthode VLES peut réaliser la transformation de plusieurs modes de solution de turbulence en fonction des caractéristiques en temps réel de l'évolution de la structure du vortex, et peut prédire avec précision le processus de combustion instable dans les flammes turbulentes.
Français La majeure partie du carburant utilisé dans la chambre de combustion d'un moteur d'avion est du carburant liquide. Le carburant liquide entre dans la chambre de combustion et subit des processus d'atomisation primaire et secondaire. Il existe de nombreuses difficultés dans la simulation du processus complet d'atomisation du carburant liquide, y compris la capture de la configuration d'interface topologique biphasique gaz-liquide, la déformation et la rupture de la colonne de liquide, l'évolution de la rupture des bandes et des filaments de liquide en gouttelettes, et l'interaction entre l'écoulement turbulent et les gouttelettes. Huang Ziwei [19] a développé un modèle de simulation de processus d'atomisation complet basé sur la méthode VLES couplée à la méthode de calcul d'atomisation hybride VOFDPM, réalisant la simulation numérique du processus complet d'atomisation du carburant du liquide continu aux gouttelettes discrètes.
Français Un modèle de simulation du processus d'atomisation nouvellement développé a été utilisé pour effectuer des calculs numériques de haute précision du processus classique d'atomisation par colonne de liquide à flux latéral, et une comparaison détaillée a été effectuée avec les résultats expérimentaux de la littérature ouverte [20] et les résultats du calcul de simulation des grands tourbillons [21]. Dans l'exemple de calcul, la phase gazeuse est de l'air avec des vitesses de 77.89 et 110.0 m/s, respectivement, et la phase liquide est de l'eau liquide avec une vitesse de 8.6 m/s. Les nombres de Weber correspondants sont respectivement de 100 et 200. Afin de mieux simuler le processus de rupture secondaire, le modèle de rupture adopte le modèle Kelvin-Helmholtz et Rayleigh-Taylor (KHRT).
Français Le processus d'atomisation complet prédit par VLES dans la condition du nombre de Weber 100 est illustré à la Figure 8. Comme on peut le voir sur la figure, une fine feuille de colonne de liquide se forme dans la zone initiale, puis la colonne de liquide se brise en bandes de liquide et en filaments de liquide, et se brise en gouttelettes sous l'action de la force aérodynamique, et les gouttelettes sont à nouveau brisées en gouttelettes plus petites par rupture secondaire. La vitesse du courant et la distribution de vorticité dans le sens de l'envergure calculées par VLES dans la condition du nombre de Weber 100 sont illustrées à la Figure 9. Comme on peut le voir sur la figure, il existe une zone de recirculation à faible vitesse typique du côté sous le vent de la colonne de liquide. On peut constater à partir de la distribution de vorticité instantanée que le côté sous le vent de la colonne de liquide présente une forte structure tourbillonnaire, et le fort mouvement turbulent dans la zone de recirculation à faible vitesse contribue à la rupture de la feuille de colonne de liquide et à la formation de gouttelettes.
Le rapport entre le diamètre initial du jet et la dimension minimale d'écoulement du jet de liquide lorsque la colonne de liquide commence à se briser sous différents nombres de Weber est illustré à la figure 10. Sur la figure, di est la dimension minimale d'écoulement du jet de liquide lorsque la colonne de liquide commence à se briser et D3 est le diamètre initial du jet de liquide. On peut voir sur la figure que les résultats du calcul VLES sont en bon accord avec les résultats expérimentaux, qui sont meilleurs que les résultats du calcul de simulation des grands tourbillons dans la littérature [21].
Afin de répondre aux exigences de faibles émissions, les chambres de combustion des avions civils sont généralement conçues avec une combustion pauvre pré-mélangée ou partiellement pré-mélangée. Cependant, la combustion pauvre pré-mélangée a une faible stabilité et est susceptible d'exciter des modes de combustion à oscillations couplées thermoacoustiques, ce qui conduit à une instabilité de la combustion. L'instabilité de la combustion est hautement destructrice et peut s'accompagner de problèmes tels que le retour de flamme et la déformation des solides, ce qui constitue un problème important auquel est confrontée la conception des chambres de combustion.
Le calcul numérique de l'instabilité de combustion peut être divisé en deux catégories : la méthode de découplage et la méthode de couplage direct. La méthode de prédiction de l'instabilité de combustion découplée découple la combustion instationnaire et les solutions acoustiques. La combustion instationnaire nécessite un grand nombre d'échantillons de calcul numérique pour construire une fonction de description de flamme fiable. Si la méthode de calcul de simulation des grands tourbillons est utilisée, sa consommation de ressources informatiques est trop importante. La méthode de calcul de couplage direct est basée sur la méthode de solution compressible et obtient directement le résultat de l'instabilité de combustion grâce à un calcul instationnaire de haute précision, c'est-à-dire que le processus de calcul de couplage de la combustion instationnaire et de l'acoustique dans des conditions de travail données est terminé en une seule fois dans le même cadre de calcul.
Français Dans l'étude de la simulation numérique du découplage de l'instabilité de combustion, Huang et al. [27] ont développé un modèle de calcul d'instabilité de combustion basé sur la méthode VLES couplée à la méthode de calcul de la flamme épaississante, et ont obtenu une prédiction précise du processus de combustion instable sous excitation acoustique. L'exemple de calcul est une flamme entièrement prémélangée éthylène/air stationnaire à corps émoussé développée par l'Université de Cambridge, avec un rapport d'équivalence de 0.55 et un nombre de Reynolds d'environ 17000 12. La comparaison entre les résultats du calcul VLES et les résultats expérimentaux des caractéristiques dynamiques de la flamme instable sous excitation acoustique est présentée dans la Figure 160. On peut voir sur la figure que pendant le processus d'excitation d'entrée, la flamme roule sur les couches de cisaillement intérieure et extérieure et évolue vers une paire de vortex contrarotatifs. Dans ce processus, l'évolution du profil de flamme en forme de champignon continue de se développer avec le changement de l'angle de phase. Les résultats du calcul VLES reproduisent bien les caractéristiques d'évolution de la flamme observées dans l'expérience. La comparaison de l'amplitude et de la différence de phase de la réponse du taux de dégagement de chaleur sous une excitation acoustique de 13 Hz obtenue par différentes méthodes de calcul et mesures expérimentales est présentée dans la figure XNUMX. Sur la figure, Q' et Q͂ Français sont respectivement le dégagement de chaleur pulsatoire et le dégagement de chaleur moyen de la combustion, A est l'amplitude de l'excitation acoustique sinusoïdale et l'ordonnée de la Figure 13 (b) est la différence de phase entre le signal de dégagement de chaleur transitoire de la combustion sous excitation acoustique et le signal d'excitation de la vitesse d'entrée. Comme on peut le voir sur la figure, la précision de prédiction de la méthode VLES est comparable à la précision de la simulation des grands tourbillons [28], et les deux sont en bon accord avec les valeurs expérimentales. Bien que la méthode RANS instable prédise la tendance de la réponse non linéaire, les résultats quantitatifs calculés s'écartent fortement des valeurs expérimentales. Pour les résultats de différence de phase (Figure 13 (b)), la tendance de la différence de phase prédite par la méthode VLES avec l'amplitude de perturbation est fondamentalement cohérente avec les résultats expérimentaux, tandis que les résultats de la simulation des grands tourbillons ne prédisent pas bien la tendance ci-dessus.
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