Rannsóknarframfarir á loftaflfræðilegum frammistöðu brunahólfs flugvélahreyfla byggðar á stórum hvirfilhermi

Rannsóknarframfarir á loftaflfræðilegum frammistöðu brunahólfs flugvélahreyfla byggðar á stórum hvirfilhermi

Brunahólfið er einn af kjarnahlutum flugvélahreyfla og loftaflfræðileg afköst brunahólfsins gegna mikilvægu hlutverki í afköstum alls hreyfilsins. Til að uppfylla sífellt strangari tæknikröfur hreyfilsins fyrir brunahólfið eru brunaskipulagsstillingin og flæðiseiginleikar inni í brunahólfinu orðnir mjög flóknir. Hröðunar- og þrýstingsþrýstingsferlið dreifarsins getur staðið frammi fyrir flæðisskilnaði undir sterkum skaðlegum þrýstingshalla; loftstreymið fer í gegnum fjölþrepa þyrilbúnað til að mynda stóra hringiðubyggingu, sem annars vegar stuðlar að úðun og uppgufun fljótandi eldsneytis og myndar mjög púlsandi, óstöðuga blöndu við eldsneytið, og hins vegar myndar kyrrstæðan loga á loftaflfræðilega endurrásarsvæðinu; margþættir strókar aðalbrennslu-/blöndunarholsins hafa samskipti við hliðarflæði í logaslöngunni til að mynda hringiðupar sem snýst á móti, sem hefur mikilvæg áhrif á ókyrrða blöndun. Á grundvelli flæðis eru eðlis- og efnaferlar í mörgum mælikvarða eins og atomization og uppgufun, blöndun, efnahvörf og víxlverkun milli ókyrrðar og loga sterklega tengd, sem sameiginlega ákvarða loftaflfræðilega eiginleika brunahólfsins. Mikil nákvæmni líkan og útreikningar á þessum eðlis- og efnafræðilegu ferlum hefur alltaf verið heitt rannsóknarefni heima og erlendis.

Atómun, uppgufun, blöndun og brunaferli í brennsluhólfinu þróast og þróast í ókyrrt flæðisumhverfi, þannig að flæði er grundvöllur fyrir eftirlíkingu á loftaflfræðilegum afköstum brennsluhólfsins. Grunneiginleiki ókyrrðar er að flæðisbreytur sýna tilviljunarkenndan púls vegna ólínulegs convection ferli. Órói inniheldur mörg hvirfilvirki. Spönn mismunandi hvirfla að lengd og tímakvarða eru gríðarstórar og eftir því sem Reynolds talan eykst eykst bilið á milli kvarða verulega. Samkvæmt hlutfalli ólgandi hvirfilvirkja sem eru beint leyst, óróa uppgerð aðferðum er skipt í beina tölulega uppgerð (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), stór hvirfilhermingu (LES) og blandaða óróa uppgerð. RANS aðferðin, sem er mikið notuð í verkfræði, leysir ókyrrt meðalsvið og notar líkan til að líkja eftir öllum ókyrrandi púlsupplýsingum. Útreikningsupphæðin er lítil, en nákvæmnin er léleg. Fyrir sterka hringiðu og óstöðugt flæðisferli í brunahólfinu getur RANS ekki uppfyllt kröfur um fágaða hönnun. Pitsch benti á að útreikningsflækjustig LES er á milli RANS og DNS, og er nú notað fyrir ókyrrða brunaútreikninga í ótakmörkuðum rýmum með miðlungs og lágum Reynoldstölum. Vegna lítillar umfangs ókyrrðar á nærveggsvæði brennsluhólfsins og hárs Reynolds-tölu flæðisins, er magn af ristum sem þarf til LES-útreiknings á einum höfuð brennsluhólfsins einum hundruðum milljóna til milljarða. Svo mikil auðlindanotkun í reikningi takmarkar útbreidda notkun LES í brennsluhólfshermum.

Stofnun á hárnákvæmni reiknilíkönum og aðferðum sem byggjast á Very Large Eddy Simulation (VLES) og Hybrid RANS-LES Method ramma er mikilvæg stefna í tölulegri uppgerð. VLES aðferðin þróuð af Han o.fl. leysir vandamálið með lítilli reikniskilvirkni af völdum síunarnetskvarða og leysir samsvörunartakmarkanir á ókyrrðarkvarða í hefðbundnum LES, og gerir sér grein fyrir tengingarlíkönum milli ókyrrðar fjölskalaeiginleika, tímabundinnar þróunareiginleika og netupplausnar. , VLES aðlagar hlutfallið milli ókyrrðarlausnar og líkanslíkans byggt á rauntímaeiginleikum þróun hvirfilbyggingar, sem dregur verulega úr reiknikostnaði en tryggir útreikningsnákvæmni.

Engu að síður, samanborið við hefðbundna LES, hafa kenningar og einkenni VLES ekki verið mikið rannsökuð og notuð. Þessi grein kynnir kerfisbundið líkanakenninguna um VLES og beitingaráhrif hennar í ýmsum líkamlegum atburðarásum tengdum brunahólfum, sem stuðlar að stórfelldri notkun VLES á sviði eftirlíkingar á brunahólfi flugvélahreyfla.

Stór Eddy Simulation Method

Áhrif ókyrrðarhermisaðferða á auðlindanotkun og reiknilíkön eru sýnd á mynd 1. RANS, LES og VLES aðferðir ná allar flæðishermi með ókyrrðarlíkönum. Það skal tekið fram að elstu skýra skilgreiningin á VLES var gefin af Pope, sem vísar til "útreikningsnetskvarði er of grófur þannig að ólgandi hreyfiorka sem er beint leyst er minna en 80% af heildar ókyrrðhreyfiorku". Á sama tíma er merking LES sem páfi [6] gefur upp "reikninetið er mjög fínt þannig að ókyrrða hreyfiorkan sem leyst er beint er meiri en 80% af heildar ólguhreyfiorku". Engu að síður skal tekið fram að VLES sem kynnt er í þessari grein er ný reikniaðferð sem hefur verið endurgerð og þróuð á grundvelli fyrri aðferðar. Þó að nöfnin séu þau sömu er nýja VLES aðferðin í meginatriðum frábrugðin VLES aðferðinni sem páfi skilgreinir. Eins og sést á myndinni eru hefðbundnu ókyrrðarstillingarnar RANS, URANS, blendingur RANS/LES, LES og DNS í röð útreikningsnákvæmni. Undir nýja líkanarammanum er ókyrrðarstillingunum skipt í RANS, VLES og DNS í röð útreikningsnákvæmni. Það er, VLES aðferðin gerir sér grein fyrir sameiningu margra hefðbundinna ókyrrðarhama og mismunandi líkön breytast aðlögunarhæfni og umbreyta mjúklega í samræmi við staðbundna eiginleika í raunverulegum útreikningum.

Eftirlíking af dæmigerðum eðlisfræðilegum ferlum í brennsluhólfinu

Mjög stór hvirfillíking af sterku hringflæði

Brunahólf flugvélahreyfla tileinkar sér venjulega form flæðisviðsskipulags eins og fjölþrepa hringsnúning og sterk þyrla. Hvirfilflæði er grunnflæðisformið í brennsluhólfinu. Þar sem hvirfil er ríkjandi bæði í flæðisstefnu og snertistefnu, hefur ókyrrandi púls þyrils sterkari anisotropy en hefðbundið pípuflæði, rásflæði og þotaflæði. Þess vegna er töluleg uppgerð þyrils mikil áskorun fyrir ókyrrðahermunaraðferðina. Xia o.fl. notaði VLES aðferðina til að reikna út hið klassíska sterka hringflæðisdæmi í rörinu; Dellenback o.fl. [14] gerði flæðisviðtilraunir á þessu dæmi og hafa nákvæmar tilraunagögn. Flæði Reynolds tala reiknaða dæmisins er 1.0×105 (miðað við þvermál hringlaga rörsins) og hringtalan er 1.23. Tvö sett af uppbyggðum ristum eru notuð í útreikningnum. Heildarfjöldi dreifðra neta (M1) er um 900,000 og heildarfjöldi dulkóðaðra neta (M2) er um 5.1 milljón. Tölfræðilegar augnabliksniðurstöður sem fást með útreikningi eru bornar saman við tilraunaniðurstöðurnar til að sannreyna útreikningsnákvæmni VLES aðferðarinnar.

Samanburður á útreikningsniðurstöðum mismunandi aðferða og tilraunaniðurstöður geisladreifingar meðalhraða ummáls og púlshraða á mismunandi stöðum niðurstreymis undir sterku þyrluflæði er sýndur á mynd 4. Á myndinni eru lárétt og lóðrétt hnit víddarlaus fjarlægð og víddarlaus hraði, í sömu röð, þar sem D1 er þvermál hringlaga pípunnar og U-hraðinn er meðalhraði pípunnar. Eins og sjá má á myndinni sýnir flæðisviðið dæmigerða Rankin-líka samsetta hringhring sem breytist smám saman yfir í einn stífan líkamshring. Þegar reiknings- og tilraunaniðurstöður eru bornar saman kemur í ljós að VLES aðferðin hefur mikla reikninákvæmni til að spá fyrir um hringhraða sterks þyrilsrennslis sem er í góðu samræmi við dreifingu tilraunamælinga. Hin hefðbundna RANS aðferð hefur mjög mikið frávik í útreikningi á þyrluflæði og getur ekki spáð rétt fyrir um staðbundna þróun vírflæðisviðsins og ókyrrðarpúls. Til samanburðar hefur VLES aðferðin mjög mikla nákvæmni í spá um meðalhraðasvið, púlshraðasvið og staðbundna þróun undir flóknu sterku þyrluflæði, og getur samt tryggt mikla útreikningsnákvæmni jafnvel við tiltölulega dreifða netupplausn. Til að spá fyrir um hringmeðalhraða eru útreikningsniðurstöður VLES-aðferðarinnar í grundvallaratriðum samræmdar við tvö sett af dreifðum og þéttum ristupplausnum.

Stór Eddy Simulation of Turbulent Combustion

Til að kanna hagkvæmni VLES aðferðarinnar við að spá fyrir um vandamál með ókyrrð bruna [15-16] var þróað ókyrrðbrennslulíkan byggt á VLES aðferðinni ásamt flamelet generated manifolds (FGM). Grundvallarhugmyndin er að gera ráð fyrir að ólgandi loginn hafi einvíddar lagskiptu logabyggingu á staðnum og ólgandi logayfirborðið er samsett meðaltal röð lagskiptra logaflata. Þess vegna er hægt að kortleggja hávíddar íhlutarýmið í lágvíddar flæðimynstur sem samanstendur af nokkrum einkennandi breytum (blandabroti, breytu framvindu viðbragða osfrv.). Með því skilyrði að íhuga ítarlega viðbragðskerfi, er fjöldi flutningsjöfnum sem á að leysa til muna minnkaður og dregur þar með verulega úr reiknikostnaði.

Sértæka innleiðingarferlið er að smíða FGM lagskiptu gagnatöfluna sem byggir á blöndunarhlutfalli og framvindu viðbragðsbreyta, íhuga víxlverkun á milli ólgandi brennslu með því að gera ráð fyrir líkindaþéttleikaaðgerðaaðferðinni til að samþætta lagskiptu gagnatöfluna og fá þannig ókyrrða gagnatöfluna. Í tölulegum útreikningi eru flutningsjöfnur blöndunarhlutans, hvarfframvindubreytur og samsvarandi dreifni leyst og upplýsingar um brunasviðið eru fengnar með því að spyrjast fyrir um órólega gagnatöfluna.

Óróabrennslulíkanið sem byggt var á VLES og FGM var notað til að framkvæma tölulega útreikninga á metan/loft ókyrrþota loga (Logi D) sem mældur var af Sandia rannsóknarstofu í Bandaríkjunum og var gerður magnsamanburður við tilraunamælingargögnin. Eldsneytisefnið í Sandia Flame D dæminu (Reynoldsnúmerið er 22400) er fullkomin blanda af metani og lofti með rúmmálshlutfallið 1:3, inntakshraði eldsneytis er um 49.9 m/s og vökuhraði er um 11.4 m/s. Vaktloginn er blanda af brenndu metani og lofti og vökuefnið er hreint loft. Við útreikninginn er notast við skipulagt net og heildarfjöldi neta er um 1.9 milljónir.

Dreifing meðalmassahlutfalls mismunandi íhluta meðfram ásnum er sýnd á mynd 5. Lárétt og lóðrétt hnit á myndinni eru víddarlaus fjarlægð (D2 er þvermál inntaksþotarörsins) og víddarlaust massahlutfall, í sömu röð. Á myndinni má sjá að spá um helstu þætti brennsluferlisins með VLES-aðferð er almennt í góðu samræmi við niðurstöður tilrauna. Dreifð dreifing hitastigs á mismunandi niðurstreymisstöðum í blöndunarhlutarýminu er sýnd á mynd 6. Af myndinni má sjá að dreifð dreifingarstefnan sem VLES-aðferðin spáir fyrir er í grundvallaratriðum í samræmi við tilraunaniðurstöður og aðeins reiknað öfgagildi hitastigs er aðeins hærra en tilraunagildið. Dreifing augnabliks hvirfilbylgju, hitastigs og upplausnarstýringaraðgerðar sem reiknað er með VLES er sýnd á mynd 7, þar sem heilu línan er tekin sem Zst=0.351. Á myndinni má sjá að kjarnastrókasvæðið sýnir sterka ókyrrð og eftir því sem flæðisviðið þróast niðurstreymis eykst umfang hringhringsins smám saman. Eins og sést á mynd 7 (b) og (c), á flestum efnahvarfasvæðum er upplausnarstýringaraðgerðin á milli 0 og 1, sem gefur til kynna að staðbundin netupplausn geti náð stórum ókyrrð og líkt aðeins eftir ókyrrð í litlum mæli í gegnum líkanið. Á þessum tíma hegðar VLES sér sem áætlaður stór hvirfilhermi lausnarhamur. Í þotuskurðarlaginu og ytri brún niðurstreymislogans er upplausnarstýringin nálægt 1, sem gefur til kynna að styttur síukvarði reiknikerfisins sé stærri en staðbundinn ókyrrðarkvarði. Á þessum tíma hegðar VLES sér sem óstöðug Reynolds meðallausnaraðferð. Í stuttu máli má sjá að VLES aðferðin getur gert sér grein fyrir umbreytingu margra ókyrrðarlausnahama í samræmi við rauntímaeiginleika þróunar hringhringsins og getur nákvæmlega spáð fyrir um óstöðugt brunaferli í ólgandi logum.

Stór eddy uppgerð af öllu atomization ferli

Mest af því eldsneyti sem notað er í brunahólf flugvélahreyfla er fljótandi eldsneyti. Fljótandi eldsneyti fer inn í brunahólfið og gengst undir frumúðun og efri úðunarferli. Það eru margir erfiðleikar við að líkja eftir fullkomnu úðunarferli fljótandi eldsneytis, þar á meðal upptöku gas-vökva tveggja fasa toppfræðilegrar viðmótsstillingar, aflögunar og rofs á vökvasúlu, sundurliðunarþróunar vökvabanda og vökvaþráða í dropa og samspils milli ólgandi flæðis og dropa. Huang Ziwei [19] þróaði fullkomið atomization ferli hermun líkan byggt á VLES aðferð ásamt VOFDPM blendingur atomization útreikningsaðferð, sem gerði sér grein fyrir tölulegri uppgerð eldsneytis atomization frá samfelldum vökva til stakra dropa.

Nýþróað atomization ferli hermun líkan var notað til að framkvæma hár nákvæmni tölulega útreikninga á klassíska hlið flæði vökva súlu atomization ferli, og nákvæmur samanburður var gerður við tilrauna niðurstöður í opnum bókmenntum [20] og stór eddy hermir útreikning niðurstöður [21]. Í reikningsdæminu er gasfasinn loft með hraða 77.89 og 110.0 m/s, í sömu röð, og fljótandi fasinn er fljótandi vatn með hraðanum 8.6 m/s. Samsvarandi Weber tölur eru 100 og 200, í sömu röð. Til þess að líkja betur eftir aukaskilaferlinu, notar brotalíkanið Kelvin-Helmholtz og Rayleigh-Taylor (KHRT) líkanið.

Hið fullkomna atomization ferli sem VLES spáði undir Weber númer 100 ástandinu er sýnt á mynd 8. Eins og sést á myndinni myndast þunnt lak af vökvasúlu á upphafssvæðinu og síðan brotnar vökvasúlan í vökvabönd og vökvaþráða, og brotnar í dropa undir áhrifum loftaflfræðilegs krafts, og droparnir brotna frekar í gegnum smærri dropana. Straumhraði og spannandi hvirfildreifing reiknuð af VLES undir Weber númer 100 ástandinu eru sýndar á mynd 9. Eins og sést á myndinni er dæmigert lághraða endurhringrásarsvæði á læhlið vökvasúlunnar. Það er hægt að finna út frá tafarlausri hvirfildreifingu að læhlið vökvasúlunnar sýnir sterka hvirfilbyggingu og mikil ókyrrð hreyfing á lághraða endurhringrásarsvæðinu stuðlar að rof á vökvasúluplötunni og myndun dropa.

Hlutfall upphafsþvermáls stróks og lágmarksflæðisvíddar vökvastraumsins þegar vökvasúlan byrjar að brotna upp undir mismunandi Weber tölum er sýnd á mynd 10. Á myndinni er di lágmarksflæðisvídd vökvastraumsins þegar vökvasúlan byrjar að brotna upp og D3 er upphafleg þvermál vökvastraumsins. Af myndinni má sjá að VLES útreikningsniðurstöðurnar eru í góðu samræmi við tilraunaniðurstöðurnar, sem eru betri en útreikningsniðurstöður stóru hvirfilhermis í bókmenntum [21].

Brunaóstöðugleiki Mjög stór Eddy Simulation

Til að uppfylla kröfur um lága útblástur eru brunahólf almenningsflugvéla venjulega hönnuð með forblönduðum eða að hluta til forblönduðum magurum brennslu. Hins vegar hefur magur forblandaður bruni lélegan stöðugleika og er hætt við að örva hitahljóðtengda sveiflubrennsluhama, sem leiðir til óstöðugleika í bruna. Brunaóstöðugleiki er mjög eyðileggjandi og getur fylgt vandamál eins og bakslag og solid aflögun, sem er áberandi vandamál sem hönnun brunahólfsins stendur frammi fyrir.

Tölulegum útreikningi á óstöðugleika bruna má skipta í tvo flokka: aftengingaraðferð og beintengingaraðferð. Aftengda brunaóstöðugleikaspáaðferðin aftengir óstöðugan bruna og hljóðlausnina. Óstöðugur bruni krefst mikils fjölda tölulegra reiknisýna til að byggja upp áreiðanlega logalýsingu. Ef útreikningsaðferðin fyrir stóra hvirfilhermi er notuð er neysla tölvuauðlinda of mikil. Bein tengingarútreikningsaðferðin byggir á þjöppunarlausnaraðferðinni og fær beint niðurstöðu brunaóstöðugleika með óstöðugum útreikningi með mikilli nákvæmni, það er að segja að tengingarútreikningsferli óstöðugs bruna og hljóðvistar við gefnar vinnuaðstæður er lokið í einu innan sama útreikningsramma.

Í rannsókninni á tölulegri eftirlíkingu á óstöðugleika aftengingar við bruna, sýndu Huang o.fl. [27] þróaði útreikningslíkan brunaóstöðugleika byggt á VLES aðferðinni ásamt þykknunarlogareikningsaðferðinni og náði nákvæmri spá um óstöðugt brunaferli við hljóðörvun. Útreikningsdæmið er kyrrstæður etýlen/loft fullkomlega forblönduð loga sem þróaður er af Cambridge háskóla, með jafngildishlutfallið 0.55 og Reynolds töluna um það bil 17000. Samanburðurinn á milli VLES útreikningsniðurstaðna og tilraunaniðurstöður óstöðugleika logans kraftmikilla eiginleika undir hljóðeinangrun sést á myndinni á myndinni12. inntaksörvunarferli, loginn veltur við innri og ytri klippulögin og þróast í gagnsnúningshringi. Í þessu ferli heldur þróun sveppalaga logasniðsins áfram að þróast með breytingu á fasahorninu. VLES útreikningsniðurstöðurnar endurskapa vel eiginleika logaþróunar sem sáust í tilrauninni. Samanburður á amplitude og fasamun á svörun hitalosunarhraða við 160 Hz hljóðörvun sem fæst með mismunandi reikningsaðferðum og tilraunamælingum er sýndur á mynd 13. Á myndinni eru Q' og Q͂ eru púlsandi varmalosun og meðalhitalosun bruna, í sömu röð, A er amplitude sinusoidal hljóðörvunar, og ordinatan á mynd 13 (b) er fasamunurinn á tímabundnu hitalosunarmerki brennslu við hljóðörvun og inntakshraða örvunarmerki. Eins og sést á myndinni er spánákvæmni VLES aðferðarinnar sambærileg við nákvæmni stórhringhermunar [28] og eru báðar í góðu samræmi við tilraunagildin. Þrátt fyrir að óstöðuga RANS aðferðin spái fyrir um þróun ólínulegrar svörunar, víkja reiknaðar megindlegar niðurstöður mjög frá tilraunagildunum. Fyrir niðurstöður fasamunar (Mynd 13 (b)), er þróun fasamunarins sem spáð er með VLES aðferðinni með truflunarmagninu í grundvallaratriðum í samræmi við tilraunaniðurstöðurnar, á meðan niðurstöður stóru hvirfilhermunanna spá ekki vel fyrir um ofangreinda þróun.