התקדמות מחקר על ביצועים אווירודינמיים של תא בעירה של מנועי מטוס על בסיס הדמיית מערבולות גדולות

התקדמות מחקר על ביצועים אווירודינמיים של תא בעירה של מנועי מטוס על בסיס הדמיית מערבולות גדולות

תא הבעירה הוא אחד ממרכיבי הליבה של מנוע מטוס, ולביצועים האווירודינמיים של תא הבעירה תפקיד חיוני בביצועי המנוע כולו. על מנת לעמוד בדרישות הטכניות המחמירות יותר ויותר של המנוע עבור תא הבעירה, מצב ארגון הבעירה ומאפייני הזרימה בתוך תא הבעירה הפכו למורכבים מאוד. תהליך ההאטה והלחץ של המפזר עלול לעמוד בפני הפרדת זרימה תחת שיפוע לחץ שלילי חזק; זרימת האוויר עוברת דרך מכשיר מערבולת רב-שלבי ליצירת מבנה מערבולת בקנה מידה גדול, שמצד אחד מקדם את האטומיזציה והאידוי של הדלק הנוזלי ויוצר תערובת פועמת חזקה, לא יציבה עם הדלק, ומצד שני מייצר להבה נייחת באזור המחזור האווירודינמי; הסילונים המרובים של חור הבעירה/ערבוב הראשי פועלים באינטראקציה עם הזרימה הרוחבית בצינור הלהבה ויוצרים זוג מערבולת מסתובב נגדי, שיש לו השפעה חשובה על ערבוב סוער. על בסיס זרימה, תהליכים פיסיקליים וכימיים רב-קנה מידה כגון אטומיזציה ואיוד, ערבוב, תגובה כימית ואינטראקציה בין מערבולות ללהבה מחוברים היטב, אשר קובעים במשותף את המאפיינים האווירודינמיים של תא הבעירה. המודלים והחישובים המדויקים של התהליכים הפיזיקליים והכימיים הללו תמיד היו נושא חם למחקר בבית ומחוצה לה.

תהליכי האטומיזציה, האידוי, הערבוב והבעירה בתא הבעירה מתפתחים ומתפתחים בסביבת זרימה סוערת, ולכן הזרימה היא הבסיס להדמיית הביצועים האווירודינמיים של תא הבעירה. המאפיין הבסיסי של מערבולות הוא שפרמטרי הזרימה מראים פעימה אקראית עקב תהליך ההסעה הלא ליניארי. מערבולות מכילה מבני מערבולת רבים. הטווחים של מערבולות שונות בטווחי אורך וזמן הם עצומים, וככל שמספר ריינולדס גדל, המרווחים בין סולמות גדלים בחדות. לפי השיעור של מבני מערבולת סוערים שנפתרים ישירות, הדמיית טורבולנס השיטות מחולקות לסימולציה מספרית ישירה (DNS), ריינולדס-Averaged Navier-Stokes (RANS), סימולציית מערבולות גדולות (LES) ושיטות הדמיית מערבולות מעורבות. שיטת RANS, שנמצאת בשימוש נרחב בהנדסה, פותרת את שדה הממוצע הסוער ומשתמשת במודל כדי לדמות את כל מידע הפעימות הסוער. כמות החישוב קטנה, אך הדיוק גרוע. עבור מערבולת חזקה ותהליכי זרימה לא יציבה בתא הבעירה, RANS לא יכול לעמוד בדרישות של עיצוב מעודן. פיטש ציין כי המורכבות החישובית של LES היא בין RANS ל-DNS, והיא משמשת כיום לחישובי בעירה סוערת במרחבים בלתי מוגבלים עם מספרי ריינולדס בינוניים ונמוכים. בשל קנה המידה הקטן של המערבולת באזור הסמוך לדופן של תא הבעירה ומספר ריינולדס הגבוה של הזרימה, כמות הרשתות הנדרשת לחישוב LES של ראש יחיד של תא הבעירה בלבד היא במאות מיליונים עד מיליארדים. צריכת משאבים חישוביים כה גבוהה מגבילה את השימוש הנרחב ב-LES בסימולציות של תאי בעירה.

הקמת מודלים ושיטות חישוב ברמת דיוק גבוהה המבוססים על ה-Very Large Eddy Simulation (VLES) ו-Hybrid RANS-LES Method היא מגמה חשובה בסימולציה מספרית. שיטת VLES שפותחה על ידי Han et al. פותר את הבעיה של יעילות חישובית נמוכה הנגרמת על ידי סינון סולם רשת ופתרון מגבלות התאמת סולם טורבולנס ב-LES המסורתי, ומממש מודלים של צימוד בין מאפיינים מרובי קנה מידה של טורבולנס, מאפייני אבולוציה חולפים ורזולוציית רשת. , VLES מתאים בצורה אדפטיבית את היחס בין פתרון טורבולנס למידול מודל על סמך המאפיינים בזמן אמת של התפתחות מבנה המערבולת, ומפחית משמעותית את עלויות החישוב תוך הבטחת דיוק חישוב.

עם זאת, בהשוואה ל-LES מסורתי, התיאוריה והמאפיינים של VLES לא נחקרו והשתמשו בהם. מאמר זה מציג באופן שיטתי את תיאוריית המידול של VLES והשפעות היישום שלה בתרחישים פיזיים שונים הקשורים לתאי בעירה, ומקדם את היישום בקנה מידה גדול של VLES בתחום הדמיית תאי בעירה של מנועי מטוסים.

שיטת סימולציית אדי גדולה

ההשפעה של שיטות הדמיית טורבולנציה על צריכת משאבי מחשוב ומודלים מוצגת באיור 1. שיטות RANS, LES ו-VLES משיגות כולן הדמיית זרימה באמצעות מודלים של מערבולות. יש לציין כי ההגדרה הברורה המוקדמת ביותר של VLES ניתנה על ידי האפיפיור, המתייחסת ל"סקאלת הרשת החישובית גסה מדי כך שהאנרגיה הקינטית הסוערת שנפתרה ישירות היא פחות מ-80% מסך האנרגיה הקינטית הסוערת". יחד עם זאת, המשמעות של LES שניתן על ידי האפיפיור [6] היא "הרשת החישובית עדינה מאוד כך שהאנרגיה הקינטית הסוערת שנפתרה ישירות גדולה מ-80% מסך האנרגיה הקינטית הסוערת". עם זאת, יש לציין כי ה-VLES שהוצג במאמר זה הוא שיטה חישובית חדשה אשר שופצה ופותחה על בסיס השיטה הקודמת. למרות שהשמות זהים, שיטת ה-VLES החדשה שונה במהותה משיטת ה-VLES שהוגדרה על ידי האפיפיור. כפי שניתן לראות מהאיור, מצבי הטורבולנס המסורתיים הם RANS, URANS, RANS/LES היברידי, LES ו-DNS לפי סדר דיוק החישוב. במסגרת המודל החדש, מצבי הטורבולנציה מחולקים ל-RANS, VLES ו-DNS לפי סדר דיוק החישוב. כלומר, שיטת VLES מיישמת את האיחוד של מספר מצבי טורבולנס מסורתיים, ומודלים שונים עוברים בצורה אדפטיבית וממירים בצורה חלקה בהתאם למאפיינים מקומיים בחישובים בפועל.

סימולציה של תהליכים פיזיקליים אופייניים בתא הבעירה

הדמיית אדי גדולה מאוד של זרימה מתערבלת חזקה

תא הבעירה של מנוע מטוס מאמץ בדרך כלל צורות ארגון שדה זרימה כגון מערבולת רב-שלבית ומערבולת חזקה. זרימת מערבולת היא צורת הזרימה הבסיסית ביותר בתא הבעירה. מכיוון שהמערבולת היא דומיננטית הן בכיוון הזרימה והן בכיוון המשיק, לפעימה הסוערת של המערבולת יש אניזוטרופיה חזקה יותר מאשר זרימת צינור מסורתית, זרימת תעלות וזרימת סילון. לכן, הסימולציה המספרית של מערבולת מציבה אתגר גדול לשיטת הדמיית טורבולנציה. Xia et al. השתמש בשיטת VLES כדי לחשב את הדוגמה הקלאסית של זרימת מערבולת חזקה בצינור; Dellenback et al. [14] ערכו ניסויים בשדה זרימה על דוגמה זו ויש להם נתונים ניסויים מפורטים. מספר ריינולדס הזרימה של הדוגמה המחושבת הוא 1.0×105 (מבוסס על קוטר הצינור העגול) ומספר המערבולת הוא 1.23. שתי קבוצות של רשתות מובנות משמשות בחישוב. המספר הכולל של רשתות דלילות (M1) הוא כ-900,000 והמספר הכולל של רשתות מוצפנות (M2) הוא כ-5.1 מיליון. תוצאות הרגע הסטטיסטי שהתקבלו בחישוב מושוות עוד יותר לתוצאות הניסוי כדי לאמת את דיוק החישוב של שיטת VLES.

השוואת תוצאות החישוב של שיטות שונות ותוצאות הניסוי של ההתפלגות הרדיאלית של המהירות הממוצעת ההיקפית והמהירות הפועמת במיקומים שונים במורד הזרם תחת זרימה מתערבלת חזקה מוצגת באיור 4. באיור, הקואורדינטות האופקיות והאנכיות הן מרחק חסר ממדים ומהירות חסרת ממדים, בהתאמה, כאשר מהירות U-in היא הקוטר הממוצע של הצינור וה-Ulet. כפי שניתן לראות מהאיור, שדה הזרימה מראה מערבולת תרכובת טיפוסית דמוית רנקין העוברת בהדרגה למערבולת גוף קשיחה אחת. בהשוואת החישוב ותוצאות הניסוי, ניתן למצוא שלשיטת VLES יש דיוק חישוב גבוה עבור חיזוי המהירות ההיקפית של זרימה מתערבלת חזקה, דבר העולה בקנה אחד עם התפלגות מדידות הניסוי. לשיטת RANS המסורתית יש סטייה גדולה מאוד בחישוב זרימת המערבולת ואינה יכולה לחזות נכון את ההתפתחות המרחבית של שדה זרימת המערבולת והפעימה הסוערת. לשם השוואה, לשיטת VLES יש דיוק גבוה מאוד בחיזוי שדה המהירות הממוצעת, שדה המהירות הפועמת והתפתחות מרחבית בזרימה מורכבת ומתערבלת חזקה, ועדיין יכולה להבטיח דיוק חישוב גבוה גם ברזולוציית רשת דלילה יחסית. עבור חיזוי המהירות הממוצעת ההיקפית, תוצאות החישוב של שיטת VLES עקביות בעצם בשתי קבוצות של רזולוציות רשת דלילות וצפופות.

הדמיית אדי גדולה של בעירה סוערת

על מנת לחקור את היתכנותה של שיטת VLES בחיזוי בעיות בעירה סוערת [15-16], פותח מודל בעירה סוערת המבוססת על שיטת VLES בשילוב עם סעפות שנוצרו על ידי פלפלט (FGM). הרעיון הבסיסי הוא להניח שללהבה הסוערת יש מבנה להבה למינרית חד-ממדית באופן מקומי, ומשטח הלהבה הסוערת הוא ממוצע ההרכב של סדרה של משטחי להבה למינרית. לכן, ניתן למפות את מרחב הרכיבים הגבוהים לתבנית זרימה במימד נמוך המורכבת ממספר משתנים אופייניים (שבר תערובת, משתנה התקדמות תגובה וכו'). בתנאי של התחשבות במנגנון התגובה המפורט, מספר משוואות התחבורה שיש לפתור מצטמצם מאוד, ובכך מפחית משמעותית את העלות החישובית.

תהליך היישום הספציפי הוא בניית טבלת הנתונים הלמינריים FGM בהתבסס על שבר התערובת ומשתני התקדמות התגובה, לשקול את האינטראקציה בין בעירה סוערת על ידי הנחת שיטת פונקציית צפיפות ההסתברות לשילוב טבלת הנתונים הלמינריים, וכך לקבל את טבלת הנתונים הסוערים. בחישוב המספרי, נפתרות משוואות התחבורה של שבר התערובת, משתני התקדמות התגובה והשונות המתאימה, ומידע שדה הבעירה מתקבל על ידי שאילתה בטבלת הנתונים הסוערים.

מודל הבעירה הסוערת המבוסס על VLES ו-FGM שימש לביצוע חישובים מספריים על להבת הסילון הסוערת מתאן/אוויר (Flame D) שנמדדה על ידי מעבדת Sandia בארצות הברית, ונעשו השוואות כמותיות עם נתוני המדידה הניסויים. חומר הדלק של דוגמת Sandia Flame D (מספר ריינולדס הוא 22400) הוא תערובת שלמה של מתאן ואוויר עם יחס נפח של 1:3, מהירות כניסת הדלק היא כ-49.9 מ' לשנייה, ומהירות הערות היא כ-11.4 מ' לשנייה. להבת החובה היא תערובת של מתאן שרוף ואוויר, וחומר הערות הוא אוויר טהור. החישוב משתמש ברשת מובנית, ומספר הרשתות הכולל הוא כ-1.9 מיליון.

ההתפלגות של חלק המסה הממוצע של רכיבים שונים לאורך הציר מוצגת באיור 5. הקואורדינטות האופקיות והאנכיות באיור הן מרחק חסר מימד (D2 הוא קוטר צינור סילון הכניסה) ושבר מסה חסר ממדים, בהתאמה. ניתן לראות מהאיור כי חיזוי המרכיבים העיקריים של תהליך הבעירה בשיטת VLES תואם בדרך כלל טוב עם תוצאות הניסוי. ההתפלגות המפוזרת של הטמפרטורה במיקומים שונים במורד הזרם בחלל שבר התערובת מוצגת באיור 6. ניתן לראות מהאיור שמגמת ההתפלגות המפוזרת שנחזה בשיטת VLES תואמת בעצם את תוצאות הניסוי, ורק הערך הקיצוני של הטמפרטורה המחושב גבוה במעט מערך הניסוי. ההתפלגות של פונקציית בקרת המערבולת, הטמפרטורה והרזולוציה המיידית המחושבת על ידי VLES מוצגת באיור 7, כאשר הקו המוצק נלקח כ-Zst=0.351. ניתן לראות מהאיור שאזור סילון הליבה מפגין פעימות סוערות חזקות, וככל ששדה הזרימה מתפתח במורד הזרם, קנה המידה של מבנה המערבולת גדל בהדרגה. כפי שניתן לראות מאיור 7 (ב) ו-(ג), ברוב אזורי התגובה הכימית, פונקציית בקרת הרזולוציה היא בין 0 ל-1, מה שמצביע על כך שרזולוציית הרשת המקומית יכולה ללכוד מערבולות בקנה מידה גדול ורק לדמות מערבולות בקנה מידה קטן באמצעות המודל. בשלב זה, VLES מתנהג כמצב משוער של פתרון סימולציית מערבולות גדולות. בשכבת הגזירה הסילון ובקצה החיצוני של הלהבה במורד הזרם, פונקציית בקרת הרזולוציה קרובה ל-1, מה שמצביע על כך שקנה ​​המידה של המסנן הקטום של הרשת החישובית גדול יותר מסולם הטורבולנציה המקומי. בשלב זה, VLES מתנהג כמצב פתרון ממוצע לא יציב של ריינולדס. לסיכום, ניתן לראות ששיטת VLES יכולה לממש את הטרנספורמציה של מספר מצבי פתרון מערבולות בהתאם למאפיינים בזמן אמת של התפתחות מבנה המערבולת, ויכולה לחזות במדויק את תהליך הבעירה הלא יציב בלהבות סוערות.

הדמיית מערבולת גדולה של תהליך האטומיזציה המלא

רוב הדלק המשמש בתא הבעירה של מנוע מטוס הוא דלק נוזלי. דלק נוזלי נכנס לתא הבעירה ועובר תהליכי אטומיזציה ראשוניים ותהליכי אטומיזציה משניים. ישנם קשיים רבים בהדמיית תהליך האטומיזציה המלא של דלק נוזלי, כולל לכידת תצורת הממשק הטופולוגי הדו-פאזי של גז-נוזל, דפורמציה וקרע של עמודת נוזל, התפתחות התפרקות של פסי נוזל וחוטי נוזל לטיפות, והאינטראקציה בין זרימה סוערת לטיפות. Huang Ziwei [19] פיתח מודל הדמיית תהליך אטומיזציה שלם המבוסס על שיטת VLES בשילוב עם שיטת חישוב האטומיזציה ההיברידית VOFDPM, תוך מימוש סימולציה מספרית בתהליך מלא של אטומיזציה של דלק מנוזל רציף לטיפות נפרדות.

מודל סימולציית תהליך אטומיזציה שפותח חדש שימש לביצוע חישובים מספריים מדויקים של תהליך אטומיזציה של עמודת נוזלי זרימה רוחבית קלאסית, ובוצעה השוואה מפורטת עם תוצאות הניסוי בספרות הפתוחה [20] ותוצאות חישוב סימולציית מערבולות גדולות [21]. בדוגמה החישובית, שלב הגז הוא אוויר במהירויות של 77.89 ו-110.0 מ"ש בהתאמה, והפאזה הנוזלית היא מים נוזליים במהירות של 8.6 מ"ש. המספרים המתאימים של וובר הם 100 ו-200, בהתאמה. על מנת לדמות טוב יותר את תהליך הפרידה המשני, מודל הפרידה מאמץ את המודל של קלווין-הלמהולץ וריילי-טיילור (KHRT).

תהליך האטומיזציה המלא שנחזה על ידי VLES בתנאי Weber מספר 100 מוצג באיור 8. כפי שניתן לראות מהאיור, נוצרת יריעה דקה של עמודת נוזלים באזור הראשוני, ואז עמודת הנוזל נשברת לרצועות נוזל וחוטי נוזל, ומתפרקת לטיפות בפעולת כוח אווירודינמי, והטיפות נשברות עוד יותר לטיפות קטנות יותר. מהירות הנחל ופיזור המערבולת ברוחב המחושבים על ידי VLES בתנאי Weber מספר 100 מוצגים באיור 9. כפי שניתן לראות מהאיור, קיים אזור מחזור אופייני במהירות נמוכה בצד הרוחב של עמוד הנוזל. ניתן למצוא מהתפלגות המערבולת המיידית כי הצד החורפי של עמוד הנוזל מציג מבנה מערבולת חזק, והתנועה הסוערת החזקה באזור המחזור המהיר במהירות נמוכה תורמת לקרע של עמוד הנוזל ולהיווצרות טיפות.

היחס בין קוטר הסילון הראשוני לממד הזרימה המינימלי של סילון הנוזל כאשר עמודת הנוזל מתחילה להתפרק תחת מספרי וובר שונים מוצג באיור 10. באיור, di הוא ממד הזרימה המינימלי של סילון הנוזל כאשר עמודת הנוזל מתחילה להתפרק, ו-D3 הוא קוטר סילון הנוזל ההתחלתי. ניתן לראות מהאיור שתוצאות חישוב ה-VLES תואמות היטב את תוצאות הניסוי, שהן טובות יותר מתוצאות חישוב סימולציית מערבולות גדולות בספרות [21].

אי יציבות בעירה סימולציית אדי גדולה מאוד

על מנת לעמוד בדרישות של פליטות נמוכות, תאי הבעירה של מטוסים אזרחיים מתוכננים בדרך כלל עם בעירה רזה מעורבבת מראש או חלקית מראש. עם זאת, לבעירה רזה מעורבת מראש יש יציבות ירודה והיא נוטה לעורר מצבי בעירה תרמואקוסטית מצמודה תנודה, מה שמוביל לאי יציבות בעירה. חוסר יציבות בעירה הרסנית ביותר ועלולה להיות מלווה בבעיות כמו פלאשבק ועיוות מוצק, שהיא בעיה בולטת איתה מתמודד תכנון תאי בעירה.

ניתן לחלק את החישוב המספרי של חוסר יציבות בעירה לשתי קטגוריות: שיטת ניתוק ושיטת צימוד ישירה. שיטת חיזוי אי-יציבות הבעירה המנותקת מנתקת את הפתרונות האקוסטיים והבעירה הלא יציבה. בעירה לא יציבה נדרשת מספר רב של דגימות חישוב מספריות כדי לבנות פונקציית תיאור להבה אמינה. אם נעשה שימוש בשיטת החישוב של סימולציית מערבולות גדולות, צריכת משאבי המחשוב שלה גדולה מדי. שיטת חישוב הצימוד הישיר מבוססת על שיטת הפתרון הנדחס, ומשיגה ישירות את התוצאה של אי יציבות בעירה באמצעות חישוב לא יציב ברמת דיוק גבוהה, כלומר, תהליך חישוב הצימוד של בעירה לא יציבה ואקוסטיקה בתנאי עבודה נתונים מסתיים בבת אחת בתוך אותה מסגרת חישוב.

במחקר של סימולציה מספרית של ניתוק אי-יציבות בעירה, Huang et al. [27] פיתח מודל חישוב אי יציבות בעירה המבוסס על שיטת VLES יחד עם שיטת חישוב הלהבה המתעבה, והשיג חיזוי מדויק של תהליך הבעירה הלא יציב תחת עירור אקוסטי. דוגמה החישובית היא להבה נייחת של אתילן/אוויר בגוף קהה שפותחה על ידי אוניברסיטת קיימברידג', עם יחס שקילות של 0.55 ומספר ריינולדס של כ-17000. ההשוואה בין תוצאות חישוב VLES לתוצאות הניסוי של המאפיינים הדינמיים של הלהבה הבלתי יציבה תחת התרגשות אקוסטית מוצגת באיור אקוסטי12. תהליך עירור בכניסה, הלהבה מתגלגלת בשכבות הגזירה הפנימית והחיצונית ומתפתחת לזוג מערבולת מסתובב נגדי. בתהליך זה, האבולוציה של פרופיל הלהבה בצורת פטרייה ממשיכה להתפתח עם שינוי זווית הפאזה. תוצאות חישוב ה-VLES משחזרות היטב את מאפייני התפתחות הלהבה שנצפו בניסוי. ההשוואה של משרעת והפרש הפאזות של תגובת קצב שחרור החום תחת עירור אקוסטי של 160 הרץ המתקבלת בשיטות חישוב שונות ומדידות ניסוי מוצגת באיור 13. באיור, Q' ו-Q͂ הם שחרור החום הפועם ושחרור החום הממוצע של בעירה, בהתאמה, A היא המשרעת של עירור אקוסטית סינוסואידית, והאורדינאטה של ​​איור 13 (ב) היא הפרש הפאזות בין אות שחרור החום החולף של בעירה תחת עירור אקוסטי לאות עירור מהירות הכניסה. כפי שניתן לראות מהאיור, דיוק החיזוי של שיטת VLES ניתן להשוואה לדיוק של הדמיית מערבולות גדולות [28], ושניהם תואמים היטב את ערכי הניסוי. למרות ששיטת RANS הלא יציבה מנבאת את המגמה של תגובה לא ליניארית, התוצאות הכמותיות המחושבות חורגות מאוד מערכי הניסוי. עבור תוצאות הפרש הפאזות (איור 13 (ב)), המגמה של הפרש הפאזה החזויה על ידי שיטת VLES עם משרעת ההפרעה תואמת בעיקרה את תוצאות הניסוי, בעוד שתוצאות הדמיית המערבולות הגדולות אינן מנבאות היטב את המגמה לעיל.