Progressi nella ricerca sulle prestazioni aerodinamiche della camera di combustione del motore dell'aereo basati sulla simulazione di grandi vortici

Progressi nella ricerca sulle prestazioni aerodinamiche della camera di combustione del motore dell'aereo basati sulla simulazione di grandi vortici

La camera di combustione è uno dei componenti principali di un motore aeronautico e le prestazioni aerodinamiche della camera di combustione svolgono un ruolo fondamentale nelle prestazioni dell'intero motore. Per soddisfare i requisiti tecnici sempre più rigorosi del motore per la camera di combustione, la modalità di organizzazione della combustione e le caratteristiche del flusso all'interno della camera di combustione sono diventate molto complesse. Il processo di decelerazione e pressurizzazione del diffusore può affrontare la separazione del flusso sotto un forte gradiente di pressione avverso; il flusso d'aria passa attraverso un dispositivo a vortice multistadio per formare una struttura a vortice su larga scala, che da un lato promuove l'atomizzazione e l'evaporazione del carburante liquido e forma una miscela fortemente pulsante e instabile con il carburante e dall'altro genera una fiamma stazionaria nella zona di ricircolo aerodinamico; i getti multipli del foro principale di combustione/miscelazione interagiscono con il flusso laterale nel tubo di fiamma per formare una coppia di vortici controrotanti, che ha un'influenza importante sulla miscelazione turbolenta. Sulla base del flusso, i processi fisici e chimici multiscala come atomizzazione ed evaporazione, miscelazione, reazione chimica e interazione tra turbolenza e fiamma sono fortemente accoppiati, il che determina congiuntamente le caratteristiche aerodinamiche della camera di combustione. La modellazione e il calcolo ad alta precisione di questi processi fisici e chimici sono sempre stati un argomento caldo della ricerca in patria e all'estero.

I processi di atomizzazione, evaporazione, miscelazione e combustione nella camera di combustione si sviluppano ed evolvono in un ambiente di flusso turbolento, quindi il flusso è la base per la simulazione delle prestazioni aerodinamiche della camera di combustione. La caratteristica di base della turbolenza è che i parametri di flusso mostrano pulsazioni casuali dovute al processo di convezione non lineare. La turbolenza contiene molte strutture di vortice. Le campate di diversi vortici in lunghezza e scale temporali sono enormi e, all'aumentare del numero di Reynolds, le campate tra le scale aumentano bruscamente. In base alla proporzione di strutture di vortice turbolento che vengono risolte direttamente, la simulazione della turbolenza i metodi sono divisi in simulazione numerica diretta (DNS), Reynolds-Average Navier-Stokes (RANS), simulazione di grandi vortici (LES) e metodi di simulazione di turbolenza mista. Il metodo RANS, ampiamente utilizzato in ingegneria, risolve il campo medio turbolento e utilizza un modello per simulare tutte le informazioni di pulsazione turbolenta. La quantità di calcolo è piccola, ma la precisione è scarsa. Per i processi di vortice forte e flusso instabile nella camera di combustione, RANS non può soddisfare i requisiti di una progettazione raffinata. Pitsch ha sottolineato che la complessità computazionale di LES è compresa tra RANS e DNS e viene attualmente utilizzata per calcoli di combustione turbolenta in spazi illimitati con numeri di Reynolds medi e bassi. A causa della piccola scala di turbolenza nell'area vicino alla parete della camera di combustione e dell'elevato numero di Reynolds del flusso, la quantità di griglie richiesta per il calcolo LES di una singola testa della sola camera di combustione è di centinaia di milioni o miliardi. Un consumo così elevato di risorse computazionali limita l'uso diffuso del LES nelle simulazioni delle camere di combustione.

L'istituzione di modelli e metodi di calcolo ad alta precisione basati sui framework Very Large Eddy Simulation (VLES) e Hybrid RANS-LES Method è un'importante tendenza nella simulazione numerica. Il metodo VLES sviluppato da Han et al. risolve il problema della bassa efficienza computazionale causata dal filtraggio della scala della griglia e dalla risoluzione delle restrizioni di corrispondenza della scala della turbolenza nella LES tradizionale e realizza la modellazione di accoppiamento tra caratteristiche multi-scala della turbolenza, caratteristiche di evoluzione transitoria e risoluzione della griglia. , VLES regola in modo adattivo il rapporto tra soluzione della turbolenza e modellazione del modello in base alle caratteristiche in tempo reale dell'evoluzione della struttura del vortice, riducendo significativamente i costi computazionali e garantendo al contempo l'accuratezza del calcolo.

Tuttavia, rispetto al LES tradizionale, la teoria e le caratteristiche del VLES non sono state ampiamente studiate e utilizzate. Questo documento introduce sistematicamente la teoria della modellazione del VLES e i suoi effetti applicativi in ​​vari scenari fisici correlati alle camere di combustione, promuovendo l'applicazione su larga scala del VLES nel campo della simulazione della camera di combustione dei motori aeronautici.

Metodo di simulazione di grandi vortici

L'influenza dei metodi di simulazione della turbolenza sul consumo di risorse di calcolo e sui modelli è mostrata nella Figura 1. I metodi RANS, LES e VLES realizzano tutti la simulazione del flusso tramite la modellazione della turbolenza. Va notato che la prima definizione chiara di VLES è stata data da Pope, che si riferisce a "la scala della griglia computazionale è troppo grossolana, quindi l'energia cinetica turbolenta direttamente risolta è inferiore all'80% dell'energia cinetica turbolenta totale". Allo stesso tempo, il significato di LES dato da Pope [6] è "la griglia computazionale è molto fine, quindi l'energia cinetica turbolenta direttamente risolta è superiore all'80% dell'energia cinetica turbolenta totale". Tuttavia, va notato che il VLES introdotto in questo articolo è un nuovo metodo computazionale che è stato rimodellato e sviluppato sulla base del metodo precedente. Sebbene i nomi siano gli stessi, il nuovo metodo VLES è essenzialmente diverso dal metodo VLES definito da Pope. Come si può vedere dalla figura, le modalità di turbolenza tradizionali sono RANS, URANS, RANS/LES ibrido, LES e DNS in ordine di accuratezza di calcolo. Nel nuovo framework del modello, le modalità di turbolenza sono divise in RANS, VLES e DNS in ordine di accuratezza di calcolo. Vale a dire, il metodo VLES realizza l'unificazione di più modalità di turbolenza tradizionali e diversi modelli effettuano una transizione adattiva e una conversione fluida in base alle caratteristiche locali nei calcoli effettivi.

Simulazione dei processi fisici tipici nella camera di combustione

Simulazione di vortici molto grandi di flusso vorticoso forte

La camera di combustione di un motore aeronautico di solito adotta forme di organizzazione del campo di flusso come vortice multistadio e vortice forte. Il flusso vorticoso è la forma di flusso più elementare nella camera di combustione. Poiché il vortice è dominante sia nella direzione del flusso che nella direzione tangenziale, la pulsazione turbolenta del vortice ha un'anisotropia più forte rispetto al flusso tradizionale del tubo, al flusso del canale e al flusso del getto. Pertanto, la simulazione numerica del vortice pone una grande sfida al metodo di simulazione della turbolenza. Xia et al. hanno utilizzato il metodo VLES per calcolare il classico esempio di flusso vorticoso forte nel tubo; Dellenback et al. [14] hanno condotto esperimenti sul campo di flusso su questo esempio e hanno dati sperimentali dettagliati. Il numero di Reynolds del flusso dell'esempio calcolato è 1.0×105 (in base al diametro del tubo circolare) e il numero di vortici è 1.23. Nel calcolo vengono utilizzati due set di griglie strutturate. Il numero totale di griglie sparse (M1) è di circa 900,000 e il numero totale di griglie criptate (M2) è di circa 5.1 milioni. I risultati del momento statistico ottenuti tramite calcolo vengono ulteriormente confrontati con i risultati sperimentali per verificare l'accuratezza del calcolo del metodo VLES.

Il confronto dei risultati di calcolo di diversi metodi e dei risultati sperimentali della distribuzione radiale della velocità media circonferenziale e della velocità pulsante in diverse posizioni a valle sotto un forte flusso vorticoso è mostrato nella Figura 4. Nella figura, le coordinate orizzontali e verticali sono rispettivamente distanza adimensionale e velocità adimensionale, dove D1 è il diametro del tubo circolare di ingresso e Uin è la velocità media di ingresso. Come si può vedere dalla figura, il campo di flusso mostra un tipico vortice composto di tipo Rankin che gradualmente si trasforma in un singolo vortice di corpo rigido. Confrontando i risultati di calcolo e sperimentali, si può scoprire che il metodo VLES ha un'elevata accuratezza di calcolo per la previsione della velocità circonferenziale del forte flusso vorticoso, che è in buon accordo con la distribuzione delle misurazioni sperimentali. Il tradizionale metodo RANS ha una deviazione molto ampia nel calcolo del flusso vorticoso e non può prevedere correttamente l'evoluzione spaziale del campo di flusso vorticoso e della pulsazione turbolenta. In confronto, il metodo VLES ha un'accuratezza molto elevata nella previsione del campo di velocità media, del campo di velocità pulsante e dell'evoluzione spaziale sotto un flusso vorticoso forte e complesso, e può comunque garantire un'accuratezza di calcolo elevata anche a una risoluzione di griglia relativamente sparsa. Per la previsione della velocità media circonferenziale, i risultati di calcolo del metodo VLES sono fondamentalmente coerenti a due set di risoluzioni di griglia sparse e dense.

Simulazione di grandi vortici di combustione turbolenta

Per studiare la fattibilità del metodo VLES nella previsione dei problemi di combustione turbolenta [15-16], è stato sviluppato un modello di combustione turbolenta basato sul metodo VLES accoppiato ai collettori generati da flamelet (FGM). L'idea di base è di supporre che la fiamma turbolenta abbia una struttura di fiamma laminare unidimensionale localmente e che la superficie della fiamma turbolenta sia la media dell'insieme di una serie di superfici di fiamma laminari. Pertanto, lo spazio dei componenti ad alta dimensionalità può essere mappato in un modello di flusso a bassa dimensionalità composto da diverse variabili caratteristiche (frazione di miscela, variabile di avanzamento della reazione, ecc.). A condizione di considerare il meccanismo di reazione dettagliato, il numero di equazioni di trasporto da risolvere è notevolmente ridotto, riducendo così significativamente il costo computazionale.

Il processo di implementazione specifico consiste nel costruire la tabella dei dati laminari FGM in base alle variabili di frazione di miscela e di avanzamento della reazione, considerare l'interazione tra combustione turbolenta assumendo il metodo della funzione di densità di probabilità per integrare la tabella dei dati laminari e quindi ottenere la tabella dei dati turbolenti. Nel calcolo numerico, vengono risolte le equazioni di trasporto della frazione di miscela, le variabili di avanzamento della reazione e la varianza corrispondente e le informazioni sul campo di combustione vengono ottenute interrogando la tabella dei dati turbolenti.

Il modello di combustione turbolenta basato su VLES e FGM è stato utilizzato per eseguire calcoli numerici sulla fiamma a getto turbolento metano/aria (Flame D) misurata dal laboratorio Sandia negli Stati Uniti e sono stati effettuati confronti quantitativi con i dati di misurazione sperimentali. Il materiale combustibile dell'esempio Sandia Flame D (il numero di Reynolds è 22400) è una miscela completa di metano e aria con un rapporto di volume di 1:3, la velocità di ingresso del carburante è di circa 49.9 m/s e la velocità di scia è di circa 11.4 m/s. La fiamma di servizio è una miscela di metano bruciato e aria e il materiale di scia è aria pura. Il calcolo utilizza una griglia strutturata e il numero totale di griglie è di circa 1.9 milioni.

La distribuzione della frazione di massa media di diversi componenti lungo l'asse è mostrata nella Figura 5. Le coordinate orizzontali e verticali nella figura sono rispettivamente la distanza adimensionale (D2 è il diametro del tubo del getto di ingresso) e la frazione di massa adimensionale. Dalla figura si può vedere che la previsione dei componenti principali del processo di combustione mediante il metodo VLES è generalmente in buon accordo con i risultati sperimentali. La distribuzione sparsa della temperatura in diverse posizioni a valle nello spazio della frazione di miscela è mostrata nella Figura 6. Dalla figura si può vedere che la tendenza della distribuzione sparsa prevista dal metodo VLES è fondamentalmente coerente con i risultati sperimentali e solo il valore estremo della temperatura calcolato è leggermente superiore al valore sperimentale. La distribuzione della funzione di controllo di vorticità istantanea, temperatura e risoluzione calcolata da VLES è mostrata nella Figura 7, dove la linea continua è presa come Zst=0.351. Dalla figura si può vedere che l'area del getto centrale mostra una forte pulsazione turbolenta e, man mano che il campo di flusso si sviluppa a valle, la scala della struttura del vortice aumenta gradualmente. Come si può vedere dalla Figura 7 (b) e (c), nella maggior parte delle aree di reazione chimica, la funzione di controllo della risoluzione è compresa tra 0 e 1, il che indica che la risoluzione della griglia locale può catturare la turbolenza su larga scala e simulare solo la turbolenza su piccola scala attraverso il modello. In questo momento, VLES si comporta come una modalità di soluzione di simulazione di vortici di grandi dimensioni approssimativa. Nello strato di taglio del getto e nel bordo esterno della fiamma a valle, la funzione di controllo della risoluzione è vicina a 1, il che indica che la scala del filtro troncato della griglia computazionale è maggiore della scala di turbolenza locale. In questo momento, VLES si comporta come una modalità di soluzione media di Reynolds instabile. In sintesi, si può vedere che il metodo VLES può realizzare la trasformazione di più modalità di soluzione di turbolenza in base alle caratteristiche in tempo reale dell'evoluzione della struttura del vortice e può prevedere con precisione il processo di combustione instabile nelle fiamme turbolente.

Simulazione di grandi vortici del processo di atomizzazione completo

La maggior parte del carburante utilizzato nella camera di combustione di un motore aeronautico è carburante liquido. Il carburante liquido entra nella camera di combustione e subisce processi di atomizzazione primaria e secondaria. Ci sono molte difficoltà nel simulare il processo di atomizzazione completo del carburante liquido, tra cui la cattura della configurazione dell'interfaccia topologica bifase gas-liquido, la deformazione e la rottura della colonna liquida, l'evoluzione della rottura delle bande liquide e dei filamenti liquidi in goccioline e l'interazione tra flusso turbolento e goccioline. Huang Ziwei [19] ha sviluppato un modello di simulazione del processo di atomizzazione completo basato sul metodo VLES abbinato al metodo di calcolo dell'atomizzazione ibrida VOFDPM, realizzando la simulazione numerica del processo completo dell'atomizzazione del carburante da liquido continuo a goccioline discrete.

È stato utilizzato un modello di simulazione del processo di atomizzazione di recente sviluppo per eseguire calcoli numerici ad alta precisione del classico processo di atomizzazione della colonna liquida a flusso laterale, ed è stato effettuato un confronto dettagliato con i risultati sperimentali nella letteratura aperta [20] e i risultati del calcolo della simulazione del grande vortice [21]. Nell'esempio di calcolo, la fase gassosa è aria con velocità rispettivamente di 77.89 e 110.0 m/s, e la fase liquida è acqua liquida con una velocità di 8.6 m/s. I numeri di Weber corrispondenti sono rispettivamente 100 e 200. Per simulare meglio il processo di rottura secondaria, il modello di rottura adotta il modello Kelvin-Helmholtz e Rayleigh-Taylor (KHRT).

Il processo di atomizzazione completo previsto da VLES in condizioni di numero di Weber 100 è mostrato nella Figura 8. Come si può vedere dalla figura, un sottile strato di colonna di liquido si forma nell'area iniziale, quindi la colonna di liquido si rompe in bande di liquido e filamenti di liquido e si rompe in goccioline sotto l'azione della forza aerodinamica, e le goccioline vengono ulteriormente scomposte in goccioline più piccole attraverso la rottura secondaria. La velocità del flusso e la distribuzione della vorticità nel senso della campata calcolate da VLES in condizioni di numero di Weber 100 sono mostrate nella Figura 9. Come si può vedere dalla figura, c'è una tipica zona di ricircolo a bassa velocità sul lato sottovento della colonna di liquido. Si può trovare dalla distribuzione della vorticità istantanea che il lato sottovento della colonna di liquido mostra una forte struttura a vortice e il forte moto turbolento nella zona di ricircolo a bassa velocità contribuisce alla rottura dello strato di colonna di liquido e alla formazione di goccioline.

Il rapporto tra il diametro iniziale del getto e la dimensione minima del flusso del getto di liquido quando la colonna di liquido inizia a rompersi sotto diversi numeri di Weber è mostrato nella Figura 10. Nella figura, di è la dimensione minima del flusso del getto di liquido quando la colonna di liquido inizia a rompersi e D3 è il diametro iniziale del getto di liquido. Si può vedere dalla figura che i risultati del calcolo VLES sono in buon accordo con i risultati sperimentali, che sono migliori dei risultati del calcolo della simulazione di grandi vortici nella letteratura [21].

Simulazione di instabilità della combustione con vortici molto grandi

Per soddisfare i requisiti di basse emissioni, le camere di combustione degli aeromobili civili sono solitamente progettate con una combustione magra premiscelata o parzialmente premiscelata. Tuttavia, la combustione magra premiscelata ha una scarsa stabilità ed è incline a eccitare modalità di combustione a oscillazione accoppiata termoacustica, portando a instabilità della combustione. L'instabilità della combustione è altamente distruttiva e può essere accompagnata da problemi come il ritorno di fiamma e la deformazione solida, che è un problema importante affrontato dalla progettazione della camera di combustione.

Il calcolo numerico dell'instabilità della combustione può essere suddiviso in due categorie: metodo di disaccoppiamento e metodo di accoppiamento diretto. Il metodo di previsione dell'instabilità della combustione disaccoppiata disaccoppia la combustione instabile e le soluzioni acustiche. La combustione instabile richiede un gran numero di campioni di calcolo numerico per costruire una funzione di descrizione della fiamma affidabile. Se viene utilizzato il metodo di calcolo della simulazione di grandi vortici, il suo consumo di risorse di calcolo è troppo grande. Il metodo di calcolo dell'accoppiamento diretto si basa sul metodo della soluzione comprimibile e ottiene direttamente il risultato dell'instabilità della combustione tramite calcolo instabile ad alta precisione, ovvero il processo di calcolo dell'accoppiamento della combustione instabile e dell'acustica in determinate condizioni di lavoro viene completato in una volta all'interno dello stesso framework di calcolo.

Nello studio della simulazione numerica del disaccoppiamento dell'instabilità della combustione, Huang et al. [27] hanno sviluppato un modello di calcolo dell'instabilità della combustione basato sul metodo VLES accoppiato al metodo di calcolo della fiamma addensante e hanno ottenuto una previsione accurata del processo di combustione instabile sotto eccitazione acustica. L'esempio di calcolo è una fiamma stazionaria etilene/aria completamente premiscelata a corpo smussato sviluppata dall'Università di Cambridge, con un rapporto di equivalenza di 0.55 e un numero di Reynolds di circa 17000. Il confronto tra i risultati del calcolo VLES e i risultati sperimentali delle caratteristiche dinamiche della fiamma instabile sotto eccitazione acustica è mostrato nella Figura 12. Si può vedere dalla figura che durante il processo di eccitazione in ingresso, la fiamma si ribalta sugli strati di taglio interno ed esterno e si evolve in una coppia di vortici controrotanti. In questo processo, l'evoluzione del profilo della fiamma a forma di fungo continua a svilupparsi con il cambiamento dell'angolo di fase. I risultati del calcolo VLES riproducono bene le caratteristiche di evoluzione della fiamma osservate nell'esperimento. Il confronto dell'ampiezza e della differenza di fase della risposta della velocità di rilascio del calore sotto eccitazione acustica a 160 Hz ottenuta con diversi metodi di calcolo e misurazioni sperimentali è mostrato nella Figura 13. Nella figura, Q' e Q͂ sono rispettivamente il rilascio di calore pulsante e il rilascio di calore medio della combustione, A è l'ampiezza dell'eccitazione acustica sinusoidale e l'ordinata della Figura 13 (b) è la differenza di fase tra il segnale di rilascio di calore transitorio della combustione sotto eccitazione acustica e il segnale di eccitazione della velocità di ingresso. Come si può vedere dalla figura, l'accuratezza della previsione del metodo VLES è paragonabile all'accuratezza della simulazione di grandi vortici [28] ed entrambi sono in buon accordo con i valori sperimentali. Sebbene il metodo RANS instabile preveda l'andamento della risposta non lineare, i risultati quantitativi calcolati si discostano notevolmente dai valori sperimentali. Per i risultati della differenza di fase (Figura 13 (b)), l'andamento della differenza di fase previsto dal metodo VLES con l'ampiezza del disturbo è fondamentalmente coerente con i risultati sperimentali, mentre i risultati della simulazione di grandi vortici non predicono bene l'andamento di cui sopra.