Rannsóknarframskref á aerodynamískri virkni brinnslakammanns flugvélamótar meðal stórum eddy simulation

Rannsóknarframskref á aerodynamískri virkni brinnslakammanns flugvélamótar meðal stórum eddy simulation

Brændslukammarn er einn af grunnstöðum flugvélarvélar, og aerodynamísk framkvæmd brændslukammarans leikur mikilvægann hlut íframkvæmdar heildarvélar. Til að uppfylla tekniska kröfur vélanna á brændslukammarann, hefur brændslugrunnurinn og flosi eiginleikar innan brændslukammarans verið mjög fjölbreytt. Hraðunarslökunin og þykkunarsviðbragðið í breiðara mátti koma fyrir flokning undir sterkri ógunni; loftflóinn fer með mörgu hliðum svirkjaverks til að búa til stórt skala víxlastrúktúr, sem að einu sinni virkar á rafningu og úsviftingu líquid brændslas og myndar sterkt pulssandi, óstöðugt blandað við brændslit, en annars vegar býr til stillt eld í aerodynamíska afturflóðsneðri; margföld straumar frá efri brændsluborðinu samþætta sig við hliðarflokkinguna í flammtúninum til að mynda mótskjótandi víxlpar, sem hefur mikilvægan áhrif á óræðu blandað. Á grunn flosa, margskala fysískar og kjemilegar ferlar eins og rafning og úsvifting, blandað, kjemilíkur reykjavirkni, og samspil milli óræðu og elds eru sterklega tengd saman, sem sameina til að ákvarða aerodynamísku eiginleika brændslukammarans. Hár nákvæm modeling og reikning þessara fysískra og kjemilegra ferla hefur alltaf verið varmi rannsóknargrein báðum heima og landi.

Þrosun, rækting, blöndun og brenningarferlin í brennslukammarnum þróast og víkja í umhverfi af óræðu flæði, svo að flæði er grunnurinn fyrir hlutdrægri framkvæmdafræðisimúlatingu brennslukammaranna. Grunnþáttur óræðu er að flæðiparameternir sýna slembilega hlaup á grunn af ólínulegri samfærsluferli. Óræði inniheldur margar spírustrúktúrur. Lengd og tíma-skala verslara í mismunandi spírum eru stórar, og með því að Reynoldstal Heinreyskar talan hækkir, hækka spannanir milli skálanna brottrið. Eftir hlutfalli óræðra spírustriktúranna sem eru beint leyst, simúlata óræði  aðferðir eru skiptar í beint tölfræðileg ákvörðun (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), stórar eddy simulation (LES) og blandat raufnaflæði reikninga aðferðir. RANS aðferðin, sem er víðlega notuð í rannsóknarefnum, leysir meðaltal raufnaflæðisins og notar vísitala til að lýsa öllum raufnuhreyfingum. Reikningsmagnið er minna, en nákvæmni er svona lægri. Fyrir sterk snúning og óstöðva flæðiferli innan brennslukambsins getur RANS ekki uppfyllt kröfur við nágrannsleg design. Pitsch taldi að reiknivélargerðin á LES liggur milli RANS og DNS, og er notað nú þegar fyrir raufna brenslureikninga í ótakmarkaðum rýmdum með miðlum og lágvísis tölu Reynoldsi. Veffjöldið nógvar fyrir LES reikninga einungis fyrir eina hǫfuðbrennslukambsins er milli hundraða milljóna til milljarða. Þessi háreikningaverk límskar útbreiðslu LES í brennslukambsimuleringum.

Stofnun háhraða reikningsmála og aðferða ásamt grunnstillingu í gegnum mjög stóra eddy simulation (VLES) og Hybrid RANS-LES aðferðir er mikilvæg þróunargáttur í talnareikningum. VLES aðferðin, sem Hann og fjölmennt hafa útbúið, lösir vandamál lága reiknivirkni sem koma fyrir við sía rúmfræði og samræmingu af randaupplausnunni í tröðuðu LES, og geymir samþættaða forritunartengingar á milli margskala eftirlitsskyldra randavísinda, óstöðva þróunar eiginleika og rúmfræði upplausnunar. VLES jafnaði sjálfkrafa hlutfallinu milli randalausnar og forritunar á grunnlagi raunverulegra kenninga um hringskilgreiningarhrótina, með því að lækkja reiknigjöf ámarklega meðan reikningsnákvæmni er varðveitt.

Þó að, samanburðar við tráðhæfa LES, hefur kenning og einkenni VLES ekki verið víða rannsakað eða notuð. Þessi grein kynnið systematiskt forritunaraðferðirnar VLES og áhrif þeirra í mismunandi efnisfræðilíkum sem tengjast brennslukambar, hækkaði þannig stórskalasnotkun VLES í vélræktarsviði af smásafnarbrunarstofnunartengslum flugvélum.

Stórbiliður aðferð

Sýnd er áhrif aðferða fyrir ræturfræði á notkun reiknivélar efnis og möguleika á mynd 1. RANS, LES og VLES aðferðir nálgast allar ræturfræði gegnum ræturfræði. Verður að athuga að fyrsta skilgreiningu VLES gefur Pope, sem lýsir "reikniritgerðin er of brotinn svo að hlutfall ræturfræði-þverstæðingar dreifð beint sé minna en 80% af heildar ræturfræði-þverstæðingar". Samanburðarlega, skilgreining LES frá Pope [6] er "reikniritgerðin er mjög smá svo að hlutfall ræturfræði-þverstæðingar dreifð beint sé stærri en 80% af heildar ræturfræði-þverstæðingar". Þó því verður að taka fram að VLES sem kynnt er í þessu grein er nýr reiknirit gerður ummyndaður og útbúinn á grunnviðfangi móðurliga aðferða. Þótt nöfnin séu eins, nýja VLES aðferðin er ólíklega mismunandi frá VLES aðferðinni skilgreind af Pope. Úr myndinni má sjá að gamla ræturfræði möguleikar eru RANS, URANS, hybrid RANS/LES, LES, og DNS í röð eftir reikningu nákvæmni. Undir nýja möguleika rammi eru ræturfræði möguleikar deilt í RANS, VLES, og DNS í röð eftir reikningu nákvæmni. Það er, VLES aðferðin geymir samanflettingu margra gamla ræturfræði möguleika, og mismunandi möguleikar breyta sér smjörlega eftir staðbundna einkenni í raunverulegu reikningum.

Efst áframkvæmt fyrirspurn til raunverulegra hlutaprófa í brennslukammanns

Fjárhaflegt Eddy Simulation af sterkum snúningarstraum

Brennslukammur flugvélamótor eru oft með straumsfjarlægðartegundir eins og margstigs snúning og sterk snúning. Snúningarstraum er mestu straumsform í brennslukammanns. Þar sem snúning hefur stjórnað bæði í straumsriki og í þverhliðisriki, hafa snúningarhreyfingar sterkari ójafnanleika en tradískur rørstraum, gatstraum og kaststraum. Því miður, er tölfræðileg simulation af snúningum mikilvís úthöfundarfyrirspurn fyrir hreyfiflokkasimulationaraðferðir. Xia og fjölmennt notuðu VLES aðferðina til að reikna klassisk dæmi um sterkan snúning í rørinu; Dellenback og fjölmennt [14] gerðu straumpróf á þessu dæmi og höfðu nákvæma prufugögn. Reynolds talan fyrir reiknaða dæmið er 1.0 × 105 (basið á þvermáli hringslúgu rör) og snúningsnúmerið er 1.23. Tveir samstæðir reikningsgervir eru notuð í útreikningum. Heildarfjöldi þurra gerva (M1) er um 900.000 og heildarfjöldi dulskipta gerva (M2) er um 5,1 milljónir. Úrkenningar niðurstöður sem fengnar eru með útreikningum eru lengur bilið við prófniðgögn til að staðfesta reiknistærð VLES aðferðar.

Samanburður niðurstöðna reikninga með ólíkum aðferðum og kynningarnar niðurstöðna fyrir rafhliðarflokkun á meðalviki og hlaupvíki í ólíkum staðsetningum eftir sterkum snúrflæði er sýnd í mynd 4. Í myndinni eru flatarmál og lóðréttir samstilltar afstöðum og samstilltum hraðum, þar sem D1 er þvermálið á inngangsrásleiðinni og Uin er meðalhraðin á inngangi. Þessi flæðiflötur sýnir típlegt Rankin-líkt samsett snúrhuli sem hækkar yfir í einn fastannlega snúranda huli. Samanborið við reiknings- og kynningarnar niðurstöður, getur verið séð að VLES-aðferðin hefur hálfærri reikningsnákvæmni fyrir spár á meðalviki stórvarps snúrflæðis, sem er vel samþykkt við kynningarmælingarnar dreifingu. Þar sem truflað er við, hefur þá sömu RANS-aðferðin mjög stórt skekkjuviðspurningar í reikningi á snúrflæði og getur ekki rétt spár á rýmdlegu vaxtu snúrflæðisflokksins og hlaupvíkingar. Samanbært, hefur VLES-aðferðin mjög há nákvæmni í spár á meðalhraðuflokki, hlaupvíkuflokki og rýmdlegu vaxtu undir flóknadu sterk snúrflæði, og getur ennþá geymt há reikningsnákvæmni á svipaðu netréttingu. Fyrir spár á meðalviki snúrflæðisins, eru reikningsniðurstöðurnar VLES-aðferðar næst jafnar á tveimur mismunandi netréttingum.

Stórir Edða rafræn áhrif af órögulegri brenningu

Á meðan að rannsaka hvernig veltur VLES aðferðin við að spá óröguleg brenningu [15-16], var útbúið órögulegt brennslumódel sem byggir á VLES aðferðinni samþættu við fluglýðisvistagrunnar (FGM). Almenni hugmyndin er að ráða fyrir að órögul brennileysi hafi einvítt línulegt brennileysi lokallega, og að yfirborð óröguleysisins sé meðalsamtalsniðurstaða af runa línulegra brennileysisins. Þar með má vísa margaldra þáttaþýði í lágaldra straumslykill sem er settur saman af nokkrum einkakennimörkum (blandunarskilanum, reaksjónsframleysisstærðinni o.s.f.). Undir skilyrðum þess að taka hagkvæma reaksjónaraðferðina framkvæmt, er fjöldi feriljafyrirsendanna sem þarf að leysa mjög minnkur, þar með að reiknmagnarkostnaðurinn verður markvíslega minni.

Sérstaktið framslegningarferli er að byggja FGM-flötudatatöflu á grunnviðbót og reaksjonsframskynjarvörumerki, yfirfarða samræmingu milli óhagsbragna af svari þannig að athugað er líkindadreifingarfáguferilinn til að sameina flötudatatöfluna, og svo fá umhverfisdatatöfluna. Í talnabrotinum eru flutningsjafnanir fyrir viðbótarsamsetningu, reaksjonsframskynjarvörumerki og viðkomandi vídd leystar, og upplýsingar um brenningarveldið sækja með því að rita í umhverfisdatatöfluna.

Notkun var gerð af raufurbræðslumódelinu sem byggir á VLES og FGM til að framkvæma tölfræðileg rökning á metán/lofti raufurbráðsluflami (Flame D) sem mældi Sandia rannsakað í Bandaríkjum, og talnabundnar samanburðar voru gerð með mælingardögunum. Brændsla Sandia Flame D dæmisins (Reynolds talan er 22400) er fullt mengi af metán og lofti með rúmmálaraðhaldi 1:3, hraði brændsluveitarinnar er um 49,9 m/s, og hlauphraðin er um 11,4 m/s. Verksflaminn er mengi af brendum metán og lofi, og hlaupstofan er rétt og slett loft. Rökningin notar struktúrt reiknigraf, og heildarfjöldi reikna er um 1,9 milljón.

Sýningar eru gefnar yfir dreifingu meðaltals hlutfalls mismunandi atraða langs ásins, sem sýnað er í mynd 5. Láréttir og lóðréttir hnit í myndinni eru þvímiða fjarlægð (D2 er þvermál inngangsgásferilsins) og þvímiða massahlutfall, svo margar sem aðrar. Þekkt er úr myndinni að forspáning atraða grunnhliðanna í brennsluferli með VLES aðferðinni samanstöður almennt vel við kynningaraðgerðirnar. Dreifing hitastigsgildanna á mismunandi stöðum niðurstriðis í rúm míðunarhlutfallsins er sýnd í mynd 6. Þekkt er úr myndinni að úthlakadreifingartengd forspáð af VLES-aðferðinni er nákvæmlega samstödd við kynningaraðgerðirnar, en reiknuðu hitastigshámarkið er smá hárra en kynningargildið. Dreifing vortíts, hitastigs og upplausnarrannsakaðar virkni reiknuð með VLES er sýnd í mynd 7, þar sem jafnlines er tekinn sem Zst=0.351. Þekkt er úr myndinni að kjörjárnsvíðin sýnir sterka ójafnvægi skokkana, og með því að flæðivísir þróast niðurstriðis, auðveldar vortítsstærðirnar aftast. Sýnist úr mynd 7 (b) og (c), að í flestu kemíska reaktíonarsvæðum er upplausnarrannsakað virkni á milli 0 og 1, táknendur þess að staðvær upplausn getur greidd stórskala ójafnvægi og einungis litla skala ójafnvægi með möguleika. Í þessari tíma, fer VLES sem nálgunarsamkeypislausnarmóður. Í kjörjárnsskjaldbreytingu og ytri brúningsbragði niðurstriðis, er upplausnarrannsakað virkni nær 1, táknendur þess að afkappasetningin á reikniritið er stærri en staðværa ójafnvægi. Í þessari tíma, fer VLES sem óstöðugt Reynoldsmiða móður. Samanfattni, má sjá að VLES aðferðin getur gert umskiptingu á mörga ójafnvægi lausnamóða eftir rauntímaeiginleikana evolúskónar vortítsstæða, og getur nákvæmlega forspáð óstöðugt brennsluferli í ójafnvægi.

Stórskaðaframsimulation á allra hluta ryslingarferli

Flestar svaldor sem notaðar eru í brennslukammann í flugvélamotori eru líquífíkta svald. Líquífíkta svald fer inn í brennslukamman og ferlir með fyrstu ryslingsferlinu og seinni ryslingsferlinu. Það eru margar vandamál í að simúlæta fullt ryslingsferli líquífíktu svalds, þátturinn um að greina tvístigatöpuð grenjuhneppi milli loft- og vatns, formverkning og brotting líquífíktra dálka, útviklingu af skiptingu líquífíktra snara og traða yfir í dropa og samræmið milli óræðu straums og dropa. Huang Ziwei [19] þróði fullt ryslingsferlisimúlætunarforrit basað á VLES atriði tengdu við VOFDPM hylja ryslingsreikningsaðferð, framkvæmenda fullt tölulegt ferlísimúlæti á brennslu ryslingu frá samfelldu vatni yfir í stjarna dropa.

Nýr þróunarskilyrði fyrir rænsluferli var notuð til að framkvæma háþekktar námundunaraðgerðir á klassiskri hliðraslættu líquid column rænsluferlinu, og var nálgari samanburður gerður við kynningar niðurstöður í opinberra fræðirittingum [20] og large eddy simulation reikningsniðurstöður [21]. Á dæmireikningnum er loftinngripur loft með hraða 77,89 og 110,0 m/s, ásamt því að líquid inngripur sé vatn með hraða 8,6 m/s. Samsvarandi Weber tölurnar eru 100 og 200, svo að betra rænsluferli má nálgast, sem notar Kelvin-Helmholtz og Rayleigh-Taylor (KHRT) rænslumódel.

Almenni rafningarferlið sem VLES forspár fyrir tilstanda með Weber tölunni 100 er sýnt í mynd 8. Úr myndinni má sjá að þunnur vopnarslóð af líquidi er myndaður í upphafi, og síðan brastar slóðin í líquidaband og líquidavirðla, en brastar síðan yfir í drop úr virkni loftfararstyrkur, og droparnir brekka svo í minni dropa með annan brotunarferli. Hraði straumsins og dreifing á spenna víxluðu reiknuð með VLES fyrir tilviki með Weber tölunni 100 eru sýndir í mynd 9. Úr myndinni má sjá að þar er almenn langhæðarlíkanlegur lág-hraða endurhringasvæði á viðsynis hlið líquidislóðarinnar. Má finna úr augnablikalíkanlegu dreifingu víxluðu að viðsynis hlið líquidislóðarinnar birtir sterk víxlastöru, og sterk órétt snúningarreynd í lág-hraða endurhringasvæðinu gefur upphaf brotni líquidislóðarinnar og myndun dropa.

Forhöldið milli upphaflega straumadiameter og lágmarksstraumarásar flæðisins þegar líkamsstöðullinn hefur byrjað á að brotast undir mismunandi Weber tölum er sýnt í mynd 10. Í myndinni er di lágmarksstraumarásin á vatnsstraumnum þegar vatnsdálkurinn hefur byrjað á að brotast, og D3 er upphaflegi diameter vatnsstraumans. Þetta má sjá úr myndinni að VLES reikniafleiði stemma vel við kynningarafleiði, sem eru betri en stórar eddy simulation reikniafleiði í ritgerð [21].

Brannófstöðulægi mjög stór eddy simulation

Á meðan að uppfylla kröfur um lág úslæppi, eru brinnkambar sivilraflugbrauta venjulega úttækmar með fyrirblandað eða hlutdrælt þunnað brinnslu. Þó svo hefur þunn fyrirblandað brinnsla svært óstöðugt og er auðveldlega að ræsa þermóakústiskt samhverfað brinnslenum, sem leiðir til óstöðu í brinnslunni. Óstöðu í brinnslunni er háþýðingarfullt og gæti komið með sömu verkefninum eins og afturbrinnslu og fastu breytingu, sem er úthafsmikilvægi sem brinnkambargerð stöðvast við.

Tölfræðileg reikning á brennsluóvissu getur deilt í tvo flokka: skiptingaraðferð og beint tengingaraðferð. Skiptingaraðferðin fyrir spáröku brennsluóvissu skiptir saman óstöðu brenslu og hljóðlausn. Óstöðu brensla krefst fjölda talnareikna til að byggja upp treystæran flambeskrifunarsvi. Ef reiknirit stóra eddy simulation er notuð, þá er forsenduskýrsla þessar að mikilli. Beint tengingaraðferðin er byggð á þinningslausnarhætti, og fær beint niðurstöðu brennsluóvissu með háþrýnstig óstöðu reikningi, það er að segja, tengingarreikningur óstöðu brensls og hljóðs undir gefnum vinnuvillum er klárað einu sinni innan sama reikningarás.

Í rannsóknarverkefni um tölfræðileg aðskilunarútfærslu brunnsviðbótar, þáttoku Huang og fjölskyldan [27] út vélræn brunnsviðbótareikningsmódul sem byggður er á VLES aðferðinni samþættri við tjocknar flauglíkamsreikninga, og náðu sér nákvæmri spárögn óstöðvar fullkominn brennsluferli undir hljóðvirkjingu. Reikningsdæmið er óhreyfður ethylen/loft fullkominn fyrirblandaflaug frá Cambridge háskóla, með jafnvægishlutfalli 0.55 og Reynoldstölum um 17000. Samanburðurinn milli niðurstoda VLES reikninga og kynnisgreina af óstöðvarbragði flauglíkams undir hljóðvirkjingu er sýndur í mynd 12. Þekkt er úr myndinni að, í innflutningsvirkjunarferli, hryðist flauginn yfir innskjárarsvæðin inni og uttan og fer fram í andstæða snúningarspiru. Í þessu ferli, heldur umbreyting munakafla flaugprófsins mörgulegt áfram með breytingu phásavíddar. Niðurstöður VLES reikningsins endurspegla vel bragðaflauglíkamssagnbrigðið sem kynnt var í kynnisgreinunum. Samanburðurinn á stærð og phásaskiptingu af hitaelisvísnuviðræðu undir 160 Hz hljóðvirkjingu, sem reiknað var með mismunandi reiknifrum og metið í kynnisgreinunum, er sýndur í mynd 13. Í myndinni, Q' og Q ͂ eru hnitastök viðskipta hituskifti og meðaltal hituskifti bræðslu, í rauninni, A er amplitúð sinusvafnar áhrif, og þá súla á mynd 13 (b) er fásurskilgreiningin milli flottandi hituskiftisstika bræðslu undir hljóðvafnaraðgerð og innflutningshraðu aðgerðarstika. Og sem má sjá úr myndinni, er spárgerð VLES aðferðar eins nauðugt sem spárgerð stórva eddy simulation [28], og báðar eru vel samþykktar við kynningargildin. Þó að óstöðug RANS aðferð spyrja um tröst af ólínulegri svari, eru reiknuð töluleg niðurstöður mjög frá einhverju við kynningargildin. Fyrir fásurskilgreiningarniðurstöður (mynd 13 (b)), er tröst fásurskilgreiningar sem VLES aðferð spyrjar um styrk vafnaðar amplitúðar nákvæmlega samþykkt við kynningargildin, en stórva eddy simulation niðurstöður spurja ekki vel um að ofan tröst.