Napredak istraživanja aerodinamičkih svojstava komore za izgaranje motora zrakoplova na temelju simulacije velikih vrtloga

Napredak istraživanja aerodinamičkih svojstava komore za izgaranje motora zrakoplova na temelju simulacije velikih vrtloga

Komora za izgaranje jedna je od ključnih komponenti motora zrakoplova, a aerodinamička izvedba komore za izgaranje igra ključnu ulogu u performansama cijelog motora. Kako bi se zadovoljili sve stroži tehnički zahtjevi motora za komoru za izgaranje, način organizacije izgaranja i karakteristike protoka unutar komore za izgaranje postali su vrlo složeni. Proces usporavanja i tlačenja difuzora može se suočiti s odvajanjem protoka pod jakim nepovoljnim gradijentom tlaka; strujanje zraka prolazi kroz višestupanjski vrtložni uređaj kako bi se stvorila vrtložna struktura velikih razmjera, koja s jedne strane potiče atomizaciju i isparavanje tekućeg goriva i stvara snažno pulsirajuću, nestabilnu smjesu s gorivom, a s druge strane stvara stacionarni plamen u zoni aerodinamičke recirkulacije; višestruki mlazevi glavnog otvora za izgaranje/miješanje u interakciji su s bočnim protokom u plamenoj cijevi kako bi formirali suprotno rotirajući vrtložni par, koji ima važan utjecaj na turbulentno miješanje. Na temelju protoka, višestruki fizikalni i kemijski procesi kao što su atomizacija i isparavanje, miješanje, kemijska reakcija i interakcija između turbulencije i plamena snažno su povezani, što zajedno određuje aerodinamičke karakteristike komore za izgaranje. Visoko precizno modeliranje i izračun ovih fizikalnih i kemijskih procesa oduvijek je bila vruća tema istraživanja u zemlji i inozemstvu.

Procesi atomizacije, isparavanja, miješanja i izgaranja u komori za izgaranje razvijaju se i razvijaju u okruženju turbulentnog strujanja, tako da je protok osnova za simulaciju aerodinamičkih performansi komore za izgaranje. Osnovna karakteristika turbulencije je da parametri strujanja pokazuju slučajno pulsiranje zbog nelinearnog procesa konvekcije. Turbulencija sadrži mnoge vrtložne strukture. Rasponi različitih vrtloga u duljini i vremenskim skalama su ogromni, a kako se Reynoldsov broj povećava, rasponi između skala naglo se povećavaju. Prema udjelu turbulentnih vrtložnih struktura koje se izravno rješavaju, simulacija turbulencije metode se dijele na izravnu numeričku simulaciju (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), simulaciju velikih vrtloga (LES) i metode simulacije mješovite turbulencije. Metoda RANS, koja se široko koristi u inženjerstvu, rješava turbulentno srednje polje i koristi model za simulaciju svih informacija o turbulentnom pulsiranju. Iznos izračuna je mali, ali točnost je loša. Za jake vrtložne i nestabilne procese protoka u komori za izgaranje, RANS ne može zadovoljiti zahtjeve rafiniranog dizajna. Pitsch je istaknuo da je računalna složenost LES-a između RANS-a i DNS-a, a trenutno se koristi za proračune turbulentnog izgaranja u neograničenim prostorima sa srednjim i niskim Reynoldsovim brojevima. Zbog malog razmjera turbulencije u području u blizini stijenke komore za izgaranje i visokog Reynoldsovog broja protoka, količina mreža potrebnih za LES izračun samo jedne glave komore za izgaranje iznosi stotine milijuna do milijardi. Tako velika potrošnja računalnih resursa ograničava široku upotrebu LES-a u simulacijama komore za izgaranje.

Uspostavljanje visokopreciznih proračunskih modela i metoda temeljenih na Very Large Eddy Simulation (VLES) i okvirima hibridne RANS-LES metode važan je trend u numeričkoj simulaciji. Metoda VLES koju su razvili Han i sur. rješava problem niske računalne učinkovitosti uzrokovane filtriranjem mrežne skale i rješavanjem ograničenja usklađivanja turbulentne skale u tradicionalnom LES-u, te ostvaruje modeliranje sprege između karakteristika turbulencije na više skala, prijelaznih karakteristika evolucije i rezolucije mreže. , VLES adaptivno prilagođava omjer između rješenja turbulencije i modeliranja modela na temelju karakteristika evolucije vrtložne strukture u stvarnom vremenu, značajno smanjujući troškove računanja, a istovremeno osiguravajući točnost izračuna.

Unatoč tome, u usporedbi s tradicionalnim LES-om, teorija i karakteristike VLES-a nisu naširoko proučavane i korištene. Ovaj rad sustavno uvodi teoriju modeliranja VLES-a i učinke njegove primjene u različitim fizičkim scenarijima povezanim s komorama za izgaranje, promičući široku primjenu VLES-a u području simulacije komora za izgaranje zrakoplovnih motora.

Metoda simulacije velikih vrtloga

Utjecaj metoda simulacije turbulencije na potrošnju računalnih resursa i modele prikazan je na slici 1. Metode RANS, LES i VLES postižu simulaciju protoka kroz modeliranje turbulencije. Treba napomenuti da je najraniju jasnu definiciju VLES-a dao Pope, koja se odnosi na "ljestvica računske mreže je pregruba tako da je izravno riješena turbulentna kinetička energija manja od 80% ukupne turbulentne kinetičke energije". U isto vrijeme, značenje LES-a koje je dao Pope [6] je "računska mreža je vrlo fina tako da je izravno riješena turbulentna kinetička energija veća od 80% ukupne turbulentne kinetičke energije". Ipak, treba napomenuti da je VLES predstavljen u ovom članku nova računalna metoda koja je preoblikovana i razvijena na temelju prethodne metode. Iako su nazivi isti, nova VLES metoda bitno se razlikuje od VLES metode koju je definirao Pope. Kao što se može vidjeti na slici, tradicionalni načini turbulencije su RANS, URANS, hibridni RANS/LES, LES i DNS prema redoslijedu točnosti izračuna. Prema novom okviru modela, načini turbulencije podijeljeni su na RANS, VLES i DNS prema redoslijedu točnosti izračuna. To jest, VLES metoda ostvaruje objedinjavanje višestrukih tradicionalnih načina turbulencije, a različiti modeli prilagođavaju se i glatko pretvaraju u skladu s lokalnim karakteristikama u stvarnim izračunima.

Simulacija tipičnih fizikalnih procesa u komori za izgaranje

Simulacija vrlo velikog vrtloga jakog vrtložnog toka

Komora za izgaranje zrakoplovnog motora obično usvaja oblike organizacije polja strujanja kao što su višestupanjsko vrtloženje i snažno vrtloženje. Vrtložno strujanje najosnovniji je oblik strujanja u komori za izgaranje. Budući da je vrtlog dominantan iu smjeru protoka iu tangencijalnom smjeru, turbulentna pulsacija vrtloga ima jaču anizotropiju od tradicionalnog protoka cijevi, protoka kanala i protoka mlaza. Stoga numerička simulacija vrtloga predstavlja veliki izazov za metodu simulacije turbulencije. Xia i sur. upotrijebio VLES metodu za izračun klasičnog primjera jakog vrtložnog strujanja u cijevi; Dellenback i sur. [14] proveli su eksperimente strujanja na ovom primjeru i imaju detaljne eksperimentalne podatke. Reynoldsov broj protoka izračunatog primjera je 1.0×105 (na temelju promjera kružne cijevi), a vrtložni broj je 1.23. U izračunu se koriste dva skupa strukturiranih mreža. Ukupan broj rijetkih mreža (M1) je oko 900,000, a ukupan broj šifriranih mreža (M2) je oko 5.1 milijun. Rezultati statističkog momenta dobiveni proračunom dalje se uspoređuju s eksperimentalnim rezultatima kako bi se potvrdila točnost izračuna metode VLES.

Usporedba rezultata proračuna različitih metoda i eksperimentalnih rezultata radijalne distribucije obodne prosječne brzine i pulsirajuće brzine na različitim položajima nizvodno pod jakim vrtložnim strujanjem prikazana je na slici 4. Na slici su vodoravna i okomita koordinata bezdimenzionalna udaljenost odnosno bezdimenzijska brzina, gdje je D1 promjer ulazne kružne cijevi, a Uin ulazna prosječna brzina. Kao što se može vidjeti na slici, polje strujanja pokazuje tipični složeni vrtlog sličan Rankinu ​​koji postupno prelazi u jedan vrtlog krutog tijela. Usporedbom proračunskih i eksperimentalnih rezultata može se ustanoviti da VLES metoda ima visoku proračunsku točnost za predikciju obodne brzine jakog vrtložnog strujanja, što se dobro slaže s distribucijom eksperimentalnih mjerenja. Tradicionalna RANS metoda ima vrlo veliko odstupanje u izračunu vrtložnog toka i ne može točno predvidjeti prostornu evoluciju vrtložnog polja i turbulentnih pulsacija. Za usporedbu, VLES metoda ima vrlo visoku točnost u predviđanju polja prosječne brzine, pulsirajućeg polja brzine i prostorne evolucije pod složenim jakim vrtložnim strujanjem, te još uvijek može jamčiti visoku točnost izračuna čak i pri relativno slaboj rezoluciji mreže. Za predviđanje obodne prosječne brzine, rezultati izračuna VLES metode u osnovi su dosljedni na dva skupa razlučivosti rijetke i guste mreže.

Simulacija velikog vrtloga turbulentnog izgaranja

Kako bi se proučila izvedivost metode VLES u predviđanju problema turbulentnog izgaranja [15-16], razvijen je model turbulentnog izgaranja koji se temelji na metodi VLES zajedno s razdjelnicima generiranim plamenom (FGM). Osnovna ideja je pretpostaviti da turbulentni plamen ima lokalno jednodimenzionalnu laminarnu strukturu plamena, a da je turbulentna plamena površina prosjek niza laminarnih plamenih površina. Stoga se visokodimenzionalni prostor komponenti može preslikati u niskodimenzionalni uzorak protoka sastavljen od nekoliko karakterističnih varijabli (udio smjese, varijabla napredovanja reakcije, itd.). Pod uvjetom razmatranja detaljnog reakcijskog mehanizma, broj transportnih jednadžbi koje treba riješiti znatno je smanjen, čime se značajno smanjuju troškovi računanja.

Specifični proces implementacije je konstruirati tablicu laminarnih podataka FGM-a na temelju varijabli udjela smjese i napredovanja reakcije, razmotriti interakciju između turbulentnog izgaranja uz pretpostavku metode funkcije gustoće vjerojatnosti za integraciju tablice laminarnih podataka i tako dobiti tablicu turbulentnih podataka. U numeričkom proračunu rješavaju se jednadžbe transporta udjela smjese, varijabli napredovanja reakcije i odgovarajuće varijance, a podaci o polju izgaranja dobivaju se upitom u tablicu turbulentnih podataka.

Model turbulentnog izgaranja koji se temelji na VLES i FGM korišten je za izvođenje numeričkih proračuna na plamenu turbulentnog mlaza metan/zrak (Plamen D) koji je izmjerio laboratorij Sandia u Sjedinjenim Državama, te su napravljene kvantitativne usporedbe s eksperimentalnim podacima mjerenja. Gorivo u primjeru Sandia Flame D (Reynoldsov broj je 22400) je potpuna mješavina metana i zraka s volumnim omjerom 1:3, ulazna brzina goriva je oko 49.9 m/s, a brzina buđenja oko 11.4 m/s. Aktivni plamen je mješavina sagorjelog metana i zraka, a materijal za buđenje je čisti zrak. U izračunu se koristi strukturirana mreža, a ukupan broj rešetki je oko 1.9 milijuna.

Raspodjela prosječnog masenog udjela različitih komponenata duž osi prikazana je na slici 5. Vodoravna i okomita koordinata na slici su bezdimenzijska udaljenost (D2 je promjer ulazne cijevi mlaza) i bezdimenzijski maseni udio. Iz slike je vidljivo da se predviđanje glavnih komponenti procesa izgaranja VLES metodom uglavnom dobro slaže s eksperimentalnim rezultatima. Raspršena distribucija temperature na različitim položajima nizvodno u prostoru frakcije smjese prikazana je na slici 6. Sa slike se može vidjeti da je trend raspršene distribucije predviđen metodom VLES u osnovi u skladu s eksperimentalnim rezultatima, a samo je izračunata ekstremna vrijednost temperature malo viša od eksperimentalne vrijednosti. Distribucija trenutne kontrolne funkcije vrtložnosti, temperature i rezolucije koju izračunava VLES prikazana je na slici 7, gdje je puna linija uzeta kao Zst=0.351. Na slici se može vidjeti da područje jezgrenog mlaza pokazuje jake turbulentne pulsacije, a kako se polje strujanja razvija nizvodno, skala vrtložne strukture postupno raste. Kao što se može vidjeti na slici 7 (b) i (c), u većini područja kemijske reakcije funkcija kontrole razlučivosti je između 0 i 1, što ukazuje da lokalna razlučivost mreže može uhvatiti turbulencije velikih razmjera i samo simulirati turbulencije malih razmjera kroz model. U ovom trenutku, VLES se ponaša kao približni način rješenja simulacije velikih vrtloga. U sloju smicanja mlaza i vanjskom rubu nizvodnog plamena, kontrolna funkcija razlučivosti je blizu 1, što ukazuje da je skraćena ljestvica filtera računske mreže veća od lokalne ljestvice turbulencije. U ovom trenutku, VLES se ponaša kao nestabilan način rješenja Reynoldsove prosječne vrijednosti. Ukratko, može se vidjeti da VLES metoda može realizirati transformaciju višestrukih načina rješenja turbulencije prema karakteristikama evolucije vrtložne strukture u stvarnom vremenu i može točno predvidjeti nestabilni proces izgaranja u turbulentnim plamenovima.

Velika vrtložna simulacija cjelokupnog procesa atomizacije

Većina goriva koje se koristi u komori za izgaranje motora zrakoplova je tekuće gorivo. Tekuće gorivo ulazi u komoru za izgaranje i prolazi procese primarne atomizacije i sekundarne atomizacije. Postoje mnoge poteškoće u simulaciji kompletnog procesa atomizacije tekućeg goriva, uključujući hvatanje konfiguracije dvofaznog topološkog sučelja plin-tekućina, deformaciju i puknuće stupca tekućine, evoluciju raspada tekućih vrpci i tekućih filamenata u kapljice te interakciju između turbulentnog protoka i kapljica. Huang Ziwei [19] je razvio potpuni simulacijski model procesa atomizacije koji se temelji na VLES metodi zajedno s VOFDPM hibridnom metodom proračuna atomizacije, realizirajući numeričku simulaciju cijelog procesa atomizacije goriva od kontinuirane tekućine do diskretnih kapljica.

Novorazvijeni simulacijski model procesa atomizacije korišten je za izvođenje visokopreciznih numeričkih proračuna klasičnog procesa atomizacije stupca tekućine s bočnim protokom te je napravljena detaljna usporedba s eksperimentalnim rezultatima u otvorenoj literaturi [20] i rezultatima proračuna simulacije velikih vrtloga [21]. U primjeru izračuna, plinovita faza je zrak s brzinama od 77.89 odnosno 110.0 m/s, a tekuća faza je tekuća voda s brzinom od 8.6 m/s. Odgovarajući Weberovi brojevi su 100, odnosno 200. Kako bi se bolje simulirao sekundarni proces raspada, model raspada usvaja model Kelvin-Helmholtz i Rayleigh-Taylor (KHRT).

Potpuni proces atomizacije predviđen VLES-om pod uvjetom Weberovog broja 100 prikazan je na slici 8. Kao što se može vidjeti na slici, tanki sloj tekućeg stupca formira se u početnom području, a zatim se tekućinski stupac razbija u trake tekućine i tekuće filamente, te se razbija u kapljice pod djelovanjem aerodinamičke sile, a kapljice se dalje razbijaju u manje kapljice kroz sekundarno raspadanje. Brzina struje i raspodjela vrtložnosti po rasponu izračunate pomoću VLES-a pod uvjetom Weberovog broja 100 prikazane su na slici 9. Kao što se može vidjeti sa slike, postoji tipična recirkulacijska zona male brzine na zavjetrini od stupca tekućine. Iz trenutne distribucije vrtloženja može se pronaći da zavjetrinska strana stupca tekućine pokazuje jaku vrtložnu strukturu, a snažno turbulentno gibanje u zoni recirkulacije male brzine pridonosi pucanju sloja stupca tekućine i stvaranju kapljica.

Omjer početnog promjera mlaza i minimalne dimenzije protoka mlaza tekućine kada se stupac tekućine počne raspadati pod različitim Weberovim brojevima prikazan je na slici 10. Na slici je di minimalna dimenzija protoka mlaza tekućine kada se stupac tekućine počne raspadati, a D3 je početni promjer mlaza tekućine. Sa slike se može vidjeti da se rezultati proračuna VLES-a dobro slažu s eksperimentalnim rezultatima, koji su bolji od rezultata proračuna simulacije velikih vrtloga u literaturi [21].

Nestabilnost izgaranja, vrlo velika simulacija vrtloga

Kako bi se ispunili zahtjevi za niskim emisijama, komore za izgaranje civilnih zrakoplova obično su projektirane s prethodno miješanim ili djelomično prethodno miješanim siromašnim izgaranjem. Međutim, siromašno izgaranje s prethodnom mješavinom ima slabu stabilnost i sklono je pobuđivanju termoakustičkih povezanih oscilacijskih načina izgaranja, što dovodi do nestabilnosti izgaranja. Nestabilnost izgaranja je vrlo destruktivna i može biti popraćena problemima kao što su flashback i čvrsta deformacija, što je istaknuti problem s kojim se suočava dizajn komore za izgaranje.

Numerički izračun nestabilnosti izgaranja može se podijeliti u dvije kategorije: metoda razdvajanja i metoda izravnog spajanja. Razdvojena metoda predviđanja nestabilnosti izgaranja odvaja nestabilno izgaranje i akustična rješenja. Neravnomjerno izgaranje zahtijeva veliki broj numeričkih proračunskih uzoraka za izgradnju pouzdane funkcije opisa plamena. Ako se koristi metoda proračuna simulacije velikih vrtloga, potrošnja računalnih resursa je prevelika. Metoda izračuna izravne sprege temelji se na metodi kompresibilne otopine i izravno dobiva rezultat nestabilnosti izgaranja kroz nestacionarni proračun visoke preciznosti, odnosno proces proračuna sprege nestacionarnog izgaranja i akustike u zadanim radnim uvjetima dovršen je u jednom trenutku unutar istog proračunskog okvira.

U studiji numeričke simulacije odvajanja nestabilnosti izgaranja, Huang et al. [27] razvili su model proračuna nestabilnosti izgaranja temeljen na VLES metodi u kombinaciji s metodom proračuna zgušnjavanja plamena i postigli točnu prognozu nestacionarnog procesa izgaranja pod akustičnom pobudom. Primjer izračuna je tupo tijelo stacionarnog plamena potpuno prethodno izmiješanog etilena/zraka koji je razvilo Sveučilište Cambridge, s omjerom ekvivalencije od 0.55 i Reynoldsovim brojem od oko 17000. Usporedba između rezultata izračuna VLES i eksperimentalnih rezultata dinamičkih karakteristika nestabilnog plamena pod akustičnom pobudom prikazana je na slici 12. Sa slike se može vidjeti da je tijekom ulaza ekscitacijskim procesom, plamen se kotrlja preko unutarnjeg i vanjskog sloja smicanja i razvija se u suprotno rotirajući vrtložni par. U tom procesu, evolucija profila plamena u obliku gljive nastavlja se razvijati s promjenom faznog kuta. Rezultati VLES izračuna dobro reproduciraju karakteristike razvijanja plamena opažene u eksperimentu. Usporedba amplitude i fazne razlike odziva brzine otpuštanja topline pod akustičnom pobudom od 160 Hz dobivena različitim proračunskim metodama i eksperimentalnim mjerenjima prikazana je na slici 13. Na slici, Q' i Q͂ su pulsirajuće oslobađanje topline i prosječno oslobađanje topline izgaranja, A je amplituda sinusoidalne akustične pobude, a ordinata na slici 13 (b) je fazna razlika između prijelaznog signala oslobađanja topline izgaranja pod akustičkom pobudom i pobudnog signala ulazne brzine. Kao što se može vidjeti sa slike, točnost predviđanja metode VLES usporediva je s točnosti simulacije velikih vrtloga [28], a obje se dobro slažu s eksperimentalnim vrijednostima. Iako nestacionarna RANS metoda predviđa trend nelinearnog odgovora, izračunati kvantitativni rezultati uvelike odstupaju od eksperimentalnih vrijednosti. Za rezultate fazne razlike (Slika 13 (b)), trend fazne razlike predviđen metodom VLES s amplitudom poremećaja u osnovi je u skladu s eksperimentalnim rezultatima, dok rezultati simulacije velikih vrtloga ne predviđaju dobro gornji trend.