Orlaivio variklio degimo kameros aerodinaminių savybių tyrimų pažanga, pagrįsta didelių sūkurių modeliavimu

Orlaivio variklio degimo kameros aerodinaminių savybių tyrimų pažanga, pagrįsta didelių sūkurių modeliavimu

Degimo kamera yra viena iš pagrindinių orlaivio variklio sudedamųjų dalių, o degimo kameros aerodinaminės charakteristikos vaidina labai svarbų vaidmenį viso variklio darbe. Siekiant patenkinti vis griežtesnius techninius variklio reikalavimus degimo kamerai, degimo organizavimo režimas ir srauto charakteristikos degimo kameroje tapo labai sudėtingos. Difuzoriaus lėtėjimo ir slėgio didinimo procesas gali susidurti su srauto atsiskyrimu esant stipriam nepalankiam slėgio gradientui; oro srautas praeina per daugiapakopį sūkurinį įrenginį, kad susidarytų didelės apimties sūkurinė struktūra, kuri, viena vertus, skatina skystojo kuro išpurškimą ir išgaravimą bei formuoja stipriai pulsuojantį, netolygų mišinį su kuru, o kita vertus, generuoja stacionarią liepsną aerodinaminės recirkuliacijos zonoje; kelios pagrindinės degimo / maišymo angos purkštukai sąveikauja su šoniniu srautu liepsnos vamzdyje, sudarydami priešingai besisukančių sūkurių porą, kuri turi didelę įtaką turbulentiniam maišymui. Remiantis srautu, daugialypiai fiziniai ir cheminiai procesai, tokie kaip purškimas ir išgarinimas, maišymas, cheminė reakcija ir turbulencijos bei liepsnos sąveika, yra stipriai susiję, kurie kartu lemia degimo kameros aerodinamines charakteristikas. Šių fizikinių ir cheminių procesų didelio tikslumo modeliavimas ir skaičiavimas visada buvo karšta tyrimų tema namuose ir užsienyje.

Purškimo, garavimo, maišymo ir degimo procesai degimo kameroje vystosi ir vystosi turbulentiško srauto aplinkoje, todėl srautas yra degimo kameros aerodinaminių savybių modeliavimo pagrindas. Pagrindinė turbulencijos savybė yra ta, kad srauto parametrai rodo atsitiktinę pulsaciją dėl netiesinės konvekcijos proceso. Turbulencija turi daug sūkurinių struktūrų. Įvairių sūkurių ilgio ir laiko skalės tarpatramiai yra didžiuliai, o didėjant Reinoldso skaičiui, tarpai tarp skalių smarkiai didėja. Pagal tiesiogiai išspręstų turbulentinių sūkurių struktūrų dalį, turbulencijos modeliavimas metodai skirstomi į tiesioginį skaitmeninį modeliavimą (DNS), Reinoldso vidurkį Navier-Stokesą (RANS), didelių sūkurių modeliavimą (LES) ir mišrios turbulencijos modeliavimo metodus. RANS metodas, kuris plačiai naudojamas inžinerijoje, išsprendžia turbulentinio vidurkio lauką ir naudoja modelį, kad imituotų visą turbulentinės pulsacijos informaciją. Skaičiavimo suma nedidelė, bet tikslumas prastas. Esant stipriam sūkuriui ir netolygiam srauto procesams degimo kameroje, RANS negali atitikti patobulintos konstrukcijos reikalavimų. Pitschas atkreipė dėmesį, kad LES skaičiavimo sudėtingumas yra tarp RANS ir DNS, ir šiuo metu naudojamas turbulentinio degimo skaičiavimams neapribotose erdvėse su vidutiniais ir mažais Reynoldso skaičiais. Dėl nedidelio turbulencijos masto šalia degimo kameros sienos ir didelio srauto Reinoldso skaičiaus tinklelių kiekis, reikalingas LES apskaičiuoti vien tik vienos degimo kameros galvutės galvutei, yra nuo šimtų milijonų iki milijardų. Toks didelis skaičiavimo išteklių suvartojimas riboja platų LES naudojimą degimo kameros modeliavime.

Didelio tikslumo skaičiavimo modelių ir metodų, pagrįstų Very Large Eddy Simulation (VLES) ir hibridinio RANS-LES metodo sistemomis, sukūrimas yra svarbi skaitmeninio modeliavimo tendencija. VLES metodas, sukurtas Han ir kt. išsprendžia mažo skaičiavimo efektyvumo problemą, kurią sukelia filtravimo tinklelio skalė ir turbulencijos skalės atitikimo apribojimų sprendimas tradicinėse LES, ir realizuoja sujungimo modeliavimą tarp turbulencijos daugialypės dėmės charakteristikų, trumpalaikės raidos charakteristikų ir tinklelio skiriamosios gebos. , VLES adaptyviai koreguoja santykį tarp turbulencijos sprendimo ir modelio modeliavimo pagal sūkurio struktūros raidos realaus laiko charakteristikas, ženkliai sumažindamas skaičiavimo išlaidas, tuo pačiu užtikrindamas skaičiavimo tikslumą.

Nepaisant to, palyginti su tradicine LES, VLES teorija ir charakteristikos nebuvo plačiai ištirtos ir naudojamos. Šiame darbe sistemingai pristatoma VLES modeliavimo teorija ir jos taikymo efektai įvairiuose fiziniuose scenarijuose, susijusiuose su degimo kameromis, skatinant plataus masto VLES taikymą orlaivių variklių degimo kamerų modeliavimo srityje.

Didelio sūkurio modeliavimo metodas

Turbulencijos modeliavimo metodų įtaka išteklių suvartojimo skaičiavimui ir modeliams parodyta 1 paveiksle. RANS, LES ir VLES metodais srauto modeliavimas pasiekiamas naudojant turbulencijos modeliavimą. Reikėtų pažymėti, kad ankstyviausią aiškų VLES apibrėžimą pateikė popiežius, kuriame nurodoma, kad „skaičiavimo tinklelio skalė yra per grubi, todėl tiesiogiai išspręsta turbulentinė kinetinė energija yra mažesnė nei 80% visos turbulentinės kinetinės energijos“. Tuo pačiu metu Popiežius [6] reiškia LES: „Skaičiavimo tinklelis yra labai tikslus, todėl tiesiogiai išspręsta turbulentinė kinetinė energija yra didesnė nei 80% visos turbulentinės kinetinės energijos“. Nepaisant to, reikia pažymėti, kad šiame straipsnyje pristatytas VLES yra naujas skaičiavimo metodas, kuris buvo pertvarkytas ir sukurtas remiantis ankstesniu metodu. Nors pavadinimai tie patys, naujasis VLES metodas iš esmės skiriasi nuo popiežiaus apibrėžto VLES metodo. Kaip matyti iš paveikslo, tradiciniai turbulencijos režimai yra RANS, URANS, hibridiniai RANS/LES, LES ir DNS skaičiavimo tikslumo tvarka. Pagal naują modelio sistemą turbulencijos režimai pagal skaičiavimo tikslumą skirstomi į RANS, VLES ir DNS. Tai yra, VLES metodas realizuoja kelių tradicinių turbulencijos režimų suvienodinimą, o skirtingi modeliai adaptyviai pereina ir sklandžiai konvertuoja pagal vietines charakteristikas faktiniuose skaičiavimuose.

Tipinių fizinių procesų degimo kameroje modeliavimas

Labai didelis sūkurinis stipraus sūkurinio srauto modeliavimas

Orlaivio variklio degimo kamera paprastai naudoja srauto lauko organizavimo formas, tokias kaip kelių pakopų sūkurys ir stiprus sūkurys. Sūkurinis srautas yra pagrindinė srauto forma degimo kameroje. Kadangi sūkurys dominuoja tiek srauto kryptimi, tiek tangentine kryptimi, sūkurio turbulentinė pulsacija turi stipresnę anizotropiją nei tradicinis vamzdžio srautas, kanalo srautas ir srovės srautas. Todėl skaitmeninis sūkurio modeliavimas yra didelis iššūkis turbulencijos modeliavimo metodui. Xia ir kt. naudojo VLES metodą klasikiniam stipraus sūkurio srauto vamzdyje pavyzdžiui apskaičiuoti; Dellenback ir kt. [14] atliko srauto lauko eksperimentus pagal šį pavyzdį ir turėjo išsamių eksperimentinių duomenų. Apskaičiuoto pavyzdžio srauto Reinoldso skaičius yra 1.0×105 (remiantis apskrito vamzdžio skersmeniu), o sūkurio skaičius yra 1.23. Skaičiuojant naudojami du struktūrinių tinklelių rinkiniai. Bendras retų tinklų (M1) skaičius yra apie 900,000 2, o bendras šifruotų tinklų (M5.1) skaičius yra apie XNUMX mln. Skaičiuojant gauti statistinių momentų rezultatai toliau lyginami su eksperimentiniais rezultatais, siekiant patikrinti VLES metodo skaičiavimo tikslumą.

Skirtingų metodų skaičiavimo rezultatų palyginimas su apskritimo vidutinio greičio ir pulsuojančio greičio radialinio pasiskirstymo skirtingose ​​padėtyse esant stipriam sūkuriam srautui eksperimentinių rezultatų palyginimas parodytas 4 paveiksle. Paveiksle horizontalios ir vertikalios koordinatės yra atitinkamai bematis atstumas ir bematis greitis, kur D1 yra įėjimo apskrito vamzdžio skersmuo, o Uin yra vidutinis greitis. Kaip matyti iš paveikslo, srauto laukas rodo tipišką Rankin tipo junginio sūkurį, palaipsniui pereinantį į vieną standų kūno sūkurį. Palyginus skaičiavimo ir eksperimento rezultatus, galima pastebėti, kad VLES metodas pasižymi dideliu skaičiavimo tikslumu prognozuojant stiprių sūkurių srauto apskritiminį greitį, o tai gerai sutampa su eksperimentinių matavimų pasiskirstymu. Tradicinis RANS metodas turi labai didelį sūkurio srauto apskaičiavimo nuokrypį ir negali teisingai numatyti sūkurinio srauto lauko ir turbulentinės pulsacijos erdvinės raidos. Palyginimui, VLES metodas turi labai didelį tikslumą numatant vidutinio greičio lauką, pulsuojantį greičio lauką ir erdvinę evoliuciją esant sudėtingam stipriam sūkuriam srautui ir vis tiek gali garantuoti aukštą skaičiavimo tikslumą net esant santykinai menkai tinklelio skyrai. Apskritiminio vidutinio greičio prognozavimui VLES metodo skaičiavimo rezultatai iš esmės yra vienodi esant dviem retoms ir tankioms tinklelio skyroms.

Didelio sūkurinio turbulentinio degimo modeliavimas

Siekiant ištirti VLES metodo galimybes numatant turbulentinio degimo problemas [15-16], buvo sukurtas turbulentinio degimo modelis, pagrįstas VLES metodu, sujungtu su liepsnos generuojamais kolektoriais (FGM). Pagrindinė idėja yra manyti, kad turbulentinė liepsna turi vienmatę laminarinę liepsnos struktūrą lokaliai, o turbulentinės liepsnos paviršius yra laminarinių liepsnos paviršių visumos vidurkis. Todėl didelio matmens komponentų erdvę galima susieti su mažo matmens srauto modeliu, sudarytu iš kelių būdingų kintamųjų (mišinio frakcijos, reakcijos eigos kintamojo ir kt.). Atsižvelgiant į išsamų reakcijos mechanizmą, sprendžiamų transporto lygčių skaičius labai sumažėja, todėl žymiai sumažėja skaičiavimo sąnaudos.

Konkretus diegimo procesas yra sudaryti FGM laminarinių duomenų lentelę, pagrįstą mišinio frakcijos ir reakcijos eigos kintamaisiais, atsižvelgti į turbulentinio degimo sąveiką, darant prielaidą, kad tikimybės tankio funkcijos metodas integruoti laminarinių duomenų lentelę ir tokiu būdu gauti turbulentinių duomenų lentelę. Atliekant skaitinį skaičiavimą, išsprendžiamos mišinio frakcijos, reakcijos eigos kintamųjų ir atitinkamos dispersijos transporto lygtys, o degimo lauko informacija gaunama užklausus turbulentinių duomenų lentelę.

Turbulentinio degimo modelis, pagrįstas VLES ir FGM, buvo naudojamas atliekant skaitinius metano/oro turbulentinės reaktyvinės liepsnos (liepsnos D), išmatuotos Sandia laboratorijoje Jungtinėse Valstijose, skaičiavimus, ir atlikti kiekybiniai palyginimai su eksperimentinių matavimų duomenimis. Sandia Flame D pavyzdžio kuro medžiaga (Reynoldso skaičius yra 22400) yra pilnas metano ir oro mišinys, kurio tūrio santykis yra 1:3, kuro įleidimo greitis yra apie 49.9 m/s, o pabudimo greitis yra apie 11.4 m/s. Darbo liepsna yra sudegusio metano ir oro mišinys, o pažadinimo medžiaga yra grynas oras. Skaičiuojant naudojamas struktūrizuotas tinklelis, o bendras tinklelių skaičius yra apie 1.9 mln.

Skirtingų komponentų vidutinės masės dalies pasiskirstymas išilgai ašies parodytas 5 paveiksle. Horizontalios ir vertikalios koordinatės paveiksle yra atitinkamai bematis atstumas (D2 yra įleidimo srovės vamzdžio skersmuo) ir bematė masės dalis. Iš paveikslo matyti, kad pagrindinių degimo proceso komponentų numatymas VLES metodu iš esmės gerai sutampa su eksperimentiniais rezultatais. Išsklaidytas temperatūros pasiskirstymas skirtingose ​​pasroviui skirtinguose mišinio frakcijų erdvės padėtyse parodytas 6 paveiksle. Iš paveikslo matyti, kad VLES metodu prognozuojama išsibarsčiusio pasiskirstymo tendencija iš esmės atitinka eksperimento rezultatus, ir tik apskaičiuota ekstremali temperatūros vertė yra šiek tiek didesnė už eksperimentinę vertę. VLES apskaičiuotas momentinio sūkurio, temperatūros ir skiriamosios gebos valdymo funkcijos pasiskirstymas parodytas 7 paveiksle, kur ištisinė linija imama kaip Zst=0.351. Iš paveikslo matyti, kad šerdies srovės srityje yra stipri turbulentinė pulsacija, o srauto laukui vystantis pasroviui, sūkurio struktūros mastas palaipsniui didėja. Kaip matyti iš 7 (b) ir (c) paveikslų, daugumoje cheminių reakcijų sričių skiriamosios gebos valdymo funkcija yra nuo 0 iki 1, o tai rodo, kad vietinio tinklelio skiriamoji geba gali užfiksuoti didelio masto turbulenciją ir modeliuoti tik nedidelio masto turbulenciją. Šiuo metu VLES veikia kaip apytikslis didelio sūkurio modeliavimo sprendimo režimas. Srovės šlyties sluoksnyje ir pasroviui esančios liepsnos išoriniame krašte skiriamosios gebos valdymo funkcija yra artima 1, o tai rodo, kad skaičiavimo tinklelio sutrumpinta filtro skalė yra didesnė nei vietinės turbulencijos skalė. Šiuo metu VLES veikia kaip nestabilus Reynoldso vidutinio sprendimo režimas. Apibendrinant galima pastebėti, kad VLES metodas gali realizuoti kelių turbulencijos sprendimo režimų transformaciją pagal sūkurio struktūros evoliucijos realaus laiko charakteristikas ir gali tiksliai numatyti netolygus degimo procesą turbulentinėse liepsnose.

Didelis sūkurinis viso purškimo proceso modeliavimas

Didžioji dalis orlaivio variklio degimo kameroje naudojamo kuro yra skystasis kuras. Skystas kuras patenka į degimo kamerą ir jame vyksta pirminio ir antrinio purškimo procesai. Yra daug sunkumų imituojant visą skystojo kuro purškimo procesą, įskaitant dujų ir skysčio dvifazės topologinės sąsajos konfigūracijos užfiksavimą, skysčio kolonėlės deformaciją ir plyšimą, skysčio juostų ir skysčio gijų skilimą į lašelius ir turbulentinio srauto bei lašelių sąveiką. Huang Ziwei [19] sukūrė pilną purškimo proceso modeliavimo modelį, pagrįstą VLES metodu kartu su VOFDPM hibridinio purškimo skaičiavimo metodu, realizuodamas viso proceso skaitmeninį kuro purškimo modeliavimą nuo nuolatinio skysčio iki atskirų lašelių.

Klasikinio šoninio srauto skysčio kolonėlės purškimo proceso didelio tikslumo skaitiniams skaičiavimams atlikti panaudotas naujai sukurtas purškimo proceso modeliavimo modelis, atliktas detalus palyginimas su eksperimento rezultatais atviroje literatūroje [20] ir didelių sūkurių modeliavimo skaičiavimo rezultatais [21]. Skaičiavimo pavyzdyje dujinė fazė yra oras, kurio greitis atitinkamai yra 77.89 ir 110.0 m/s, o skystoji – skystas vanduo, kurio greitis yra 8.6 m/s. Atitinkami Weberio skaičiai yra atitinkamai 100 ir 200. Siekiant geriau imituoti antrinį skilimo procesą, skilimo modelis priima Kelvino-Helmholtzo ir Rayleigh-Taylor (KHRT) modelį.

Visas VLES numatytas purškimo procesas, esant Weber numerio 100 sąlygai, parodytas 8 paveiksle. Kaip matyti iš paveikslo, pradinėje srityje susidaro plonas skysčio stulpelio sluoksnis, o tada skysčio kolonėlė skyla į skysčio juostas ir skysčio gijas, o veikiama aerodinaminės jėgos skyla į lašelius, o lašeliai toliau skaidomi į mažesnius lašelius per antrinį skilimą. Srauto greitis ir sūkurių pasiskirstymas tarpatramyje, apskaičiuotas VLES, esant Weber numerio 100 sąlygai, parodyti 9 paveiksle. Kaip matyti iš paveikslo, skysčio kolonėlės pavėjuje yra tipiška mažo greičio recirkuliacijos zona. Iš momentinio sūkurių pasiskirstymo galima pastebėti, kad pavėjuje esančioje skysčio kolonėlės pusėje yra stipri sūkurinė struktūra, o stiprus turbulentinis judėjimas mažo greičio recirkuliacijos zonoje prisideda prie skysčio kolonėlės lakšto plyšimo ir lašelių susidarymo.

Pradinio srauto skersmens ir mažiausio skysčio srovės srauto matmens santykis, kai skysčio kolonėlė pradeda skilti pagal skirtingus Weberio skaičius, parodytas 10 paveiksle. Paveiksle di yra mažiausias skysčio srauto matmuo, kai skysčio kolonėlė pradeda skilti, o D3 yra pradinis skysčio srovės skersmuo. Iš paveikslo matyti, kad VLES skaičiavimo rezultatai gerai sutampa su eksperimentiniais rezultatais, kurie yra geresni už literatūroje pateiktus didelių sūkurių modeliavimo skaičiavimo rezultatus [21].

Degimo nestabilumas Labai didelis sūkurinis modeliavimas

Siekiant patenkinti mažos emisijos reikalavimus, civilinių orlaivių degimo kameros dažniausiai projektuojamos su iš anksto sumaišytu arba iš dalies sumaišytu liesu degimu. Tačiau liesas iš anksto sumaišytas degimas turi prastą stabilumą ir yra linkęs sužadinti termoakustinius susietus virpesius degimo režimus, todėl degimas nestabilus. Degimo nestabilumas yra labai destruktyvus ir gali būti susijęs su tokiomis problemomis kaip blyksnis ir kietoji deformacija, kuri yra svarbi problema, su kuria susiduria degimo kameros konstrukcija.

Skaitinis degimo nestabilumo apskaičiavimas gali būti suskirstytas į dvi kategorijas: atsiejimo metodą ir tiesioginio sujungimo metodą. Atsieto degimo nestabilumo prognozavimo metodas atskiria netolygus degimo ir akustinius sprendimus. Nepastovus degimas reikalauja daug skaitinių skaičiavimo pavyzdžių, kad būtų sukurta patikima liepsnos aprašymo funkcija. Jei naudojamas didelio sūkurio modeliavimo skaičiavimo metodas, jo skaičiavimo išteklių sąnaudos yra per didelės. Tiesioginio sujungimo skaičiavimo metodas yra pagrįstas suspaudžiamo tirpalo metodu ir tiesiogiai gaunamas degimo nestabilumo rezultatas atliekant didelio tikslumo nestabilumo skaičiavimą, tai yra, netolygaus degimo ir akustikos sujungimo skaičiavimo procesas tam tikromis darbo sąlygomis baigiamas vienu metu pagal tą pačią skaičiavimo sistemą.

Tyrinėdami skaitinį degimo nestabilumo atsiejimo modeliavimą, Huang ir kt. [27] sukūrė degimo nestabilumo skaičiavimo modelį, pagrįstą VLES metodu, kartu su tirštėjančios liepsnos skaičiavimo metodu, ir pasiekė tikslią netolygaus degimo proceso, veikiant akustiniam sužadinimui, prognozę. Skaičiavimo pavyzdys yra Kembridžo universiteto sukurta stacionari stacionari etileno/oro liepsna, kurios lygiavertiškumo koeficientas yra 0.55, o Reinoldso skaičius yra apie 17000 12. VLES skaičiavimo rezultatų palyginimas su nepastovios liepsnos dinaminių charakteristikų eksperimentiniais rezultatais esant akustiniam sužadinimui parodyta, kad 160 pav. Proceso metu liepsna apsiverčia vidiniame ir išoriniame šlyties sluoksniuose ir išsivysto į priešingai besisukančių sūkurių porą. Šiame procese grybo formos liepsnos profilio raida ir toliau vystosi keičiantis fazės kampui. VLES skaičiavimo rezultatai gerai atkartoja eksperimento metu pastebėtas liepsnos raidos charakteristikas. Skirtingais skaičiavimo metodais ir eksperimentiniais matavimais gauto šilumos išsiskyrimo greičio atsako amplitudės ir fazių skirtumo palyginimas esant 13 Hz akustiniam sužadinimui parodytas XNUMX paveiksle. Paveiksle Q' ir Q͂ yra atitinkamai pulsuojantis šilumos išsiskyrimas ir vidutinis degimo šilumos išsiskyrimas, A yra sinusoidinio akustinio sužadinimo amplitudė, o 13 paveikslo (b) ordinatės yra fazių skirtumas tarp trumpalaikio šilumos išsiskyrimo signalo degimo esant akustiniam sužadinimui ir įėjimo greičio sužadinimo signalo. Kaip matyti iš paveikslo, VLES metodo prognozavimo tikslumas yra panašus į didelių sūkurių modeliavimo tikslumą [28] ir abu gerai sutampa su eksperimentinėmis reikšmėmis. Nors netvirtas RANS metodas numato netiesinio atsako tendenciją, apskaičiuoti kiekybiniai rezultatai labai skiriasi nuo eksperimentinių verčių. Fazių skirtumo rezultatams (13 (b) pav.) VLES metodu prognozuojama fazių skirtumo tendencija su trikdžių amplitudė iš esmės atitinka eksperimento rezultatus, o didelių sūkurių modeliavimo rezultatai aukščiau nurodytos tendencijos nenumato gerai.