Tyrimų pažanga apie oro varomųjų variklių degimo kameros aerodinaminę našumą, remiantis didelių triukšmų modeliu

Tyrimų pažanga apie oro varomųjų variklių degimo kameros aerodinaminę našumą, remiantis didelių triukšmų modeliu

Kaitros kambaris yra vienas iš pagrindinių variklio komponentų lėktuvo variklyje, ir jo aerodinaminis veikimas žaidžia svarbų vaidmenį viso variklio našumo atžvilgiu. Norint atitikti vis labiau griežtas technines reikalavimus varikliui dėl kaitros kambario, kaitros organizavimo būdas ir srauto charakteristika viduje tampa labai sudėtinga. Slankvienio lėtėjimo ir slėgio padidinimo procesas gali susidurti su srauto atskyrimu stipriame neigiamajame slėgio gradiente; oro srautas einantis per daugiau etapų sukimosi įrenginius formuoja didelę vamzdžių struktūrą, kuri, iš vienos pusės, skatina skysčio kuro atomizaciją ir garavimą bei sukuria stipriai pulsuojantį, nestabilų mišinį su kuru, o iš kitos pusės generuoja statinį ugnies langelyje aerodinaminėje recirkuliacijos zonoje; pagrindinių kaitros/mixing amžinto jūklės sąveika su šoniniu srautu ugnies rato zonoje formuoja priešingo poslinkio vamzdžių porą, kuri turtingai paveikia turbulentų mišinį. Pagrindu srauto, daugialypės fizikinės ir cheminės procesų, tokios kaip atomizacija ir garavimas, mišinys, cheminis reakcijos ir sąveika tarp turbulentumo ir ugnies, stipriai jungiasi, kartu nustatydami kaitros kambario aerodinaminę charakteristiką. Šių fizikinių ir cheminių procesų aukštos tikslumo modeliavimas ir apskaičiavimas visada buvo mokslo tyrimų tema abituruose ir užsienyje.

Procesai atomizacijos, garavimo, maišymo ir degimo kamerų degimo vyksta ir vystosi turbulentaus srauto aplinkoje, todėl srautas yra pagrindas degimo kameros aerodinaminio našumo modeliavimui. Turbulento pagrindinė charakteristika yra tai, kad srauto parametrai rodo atsitiktinį pulsuotą dėl nelinearinio konvekcijos proceso. Turbulenta sudaro daugybė virpulių struktūrų. Skirtingų virpulių ištemptumai ilgio ir laiko mastuose yra gausūs, ir kai didėja Reynoldso skaičius, mastų skirtumai gali drastiškai padidėti. Pagal tiesiogiai išspręstų turbulentinių virpulių struktūrų proporciją, vykdoma turbulence modeliavimas  metodai skirstomi į tiesioginę skaitmeninę modeliavimo (DNS), Reynolds vidurkinius Navier-Stokes lygčių (RANS), didelių vamzdžių modeliavimą (LES) ir mišrius turbulentumo modeliavimo metodus. RANS metodas, kuris yra plačiai naudojamas inžinerijoje, sprendžia turbulentumą kaip vidurkį ir naudoja modelį, kad simuliūtų visą turbulentumo pulsuotės informaciją. Skaičiavimo kiekis yra mažas, bet tikslumas blogas. Galingam sukamajam judėjimui ir nestabiliam srautui kamberio kameroje RANS negali atitikti išsamios dizaino reikalavimų. Pitsch nurodė, kad LES skaičiavimo sudėtingumas yra tarp RANS ir DNS, ir jis šiuo metu naudojamas turbulentumui suvidurkintiems erdvėms su vidutiniais ir žemesniais Reynoldso skaičiais. Dėl mažos skalės turbulentumo kaimo zonoje bei aukšto Reynoldso skaičiaus srauto, skaičiuojant LES vienam kamberio galvociai reikalingas šimtai milijonų iki milardo tinklų. Toks aukštas skaičiavimo išteklių sąnaudų lygis riboja LES panaudojimą kamberio simuliacijose.

Aukštos tikslumo skaičiavimo modelių ir metodų, pagrįstų Labai Dideliu Struktūriniu Modeliavimu (VLES) ir Hibridinio RANS-LES metodų rinkmena, sukūrimas yra svarbus trendas skaitinio modeliavimo srityje. Han ir k. sukurtas VLES metodas išspręsta tradiciniame LES prieštaravimą tarp filtravimo tinklo mastelio ir turbulentumo mastelio suderinamumo, dėl kurio mažėjo skaičiavimų efektyvumas, bei įgalino daugiamačių turbulentumo charakteristikų, jomų laikinosios evoliucijos ir tinklo sprendimo jungtinį modeliavimą. VLES adaptatyviai reguliuoja santykį tarp turbulentumo sprendimo ir modeliavimo, atsižvelgiant į vortikalinių struktūrų evoliucijos realius laikinus charakteristikus, kas gana esminiu būdu sumažina skaičiavimų išlaidas, tuo pačiu užtikrinant skaičiavimo tikslumą.

Nepaisant to, palyginti su tradiciniais LES, VLES teorija ir savybės dar nėra tiksliai tyrimos ir naudojamos. Šiame straipsnyje sistemingai aptariama VLES modeliavimo teorija ir jos taikymo efektai įvairiuose fiziniuose scenarijuose, susijusiuose su degimo kambariais, skatindami VLES masinį taikymą avionikos varomojo degimo kambario modeliavimo srityje.

Didelių Strūves Simuliacijos Metodas

Pavaizduojamas turbulio modeliavimo metodu poveikis skaičiavimų resursų suvartojimui ir modeliams, kaip parodyta 1 paveiksle. RANS, LES ir VLES metodai visi pasieks srauto modeliavimą per turbulio modeliavimą. Reikia atsižvelgti, kad ankstyviausias aiškus VLES apibrėžimas buvo pateiktas poeju, kuris nurodo: „skaičiavimo tinklo mastelis yra per lūsni, kad tiesiogiai išspręstų turbulinio kintamojo energijos dalis būtų mažesnė nei 80 proc. bendros turbulinio kintamojo energijos“. Tuo pačiu metu Pope [6] LES apibrėžimas yra toks: „skaičiavimo tinklas yra labai tankus, kad tiesiogiai išspręstų turbulinio kintamojo energija būtų didesnė nei 80 proc. bendros turbulinio kintamojo energijos“. Nepaisant to, reikia atkreipti dėmesį, kad šiame straipsnyje pristatomas VLES yra naujas skaičiavimo metodas, kuris buvo persukeltas ir sukurtas remiantis ankstesniais metodais. Nors pavadinimai yra tokie patys, esminis skirtumas tarp naujo VLES metodo ir VLES metodo, apibrėžto poeju. Iš paveikslio matyti, kad tradiciniai turbulio režimai pagal skaičiavimų tikslumą yra tokie: RANS, URANS, hibridinis RANS/LES, LES ir DNS. Naujajame modelio kontekste turbulio režimai pagal skaičiavimų tikslumą yra tokie: RANS, VLES ir DNS. Tai reiškia, kad VLES metodas siekia daugelio tradicinių turbulio režimų vienybės, o skirtingi modeliai adaptatyviai perėja ir suvidurkina pagal vietines charakteristikas faktiniais skaičiavimais.

Simuliacija tipiškų fizinės procesų degimo kameroje

Labai didelis vortikaliųjų judesio modeliavimas stipriojo sužydinio srauto atveju

Lėktuvo variklio degimo kamera dažniausiai naudoja srauto organizacijos formas, tokias kaip daugiastabiesnis sužydinys ir stiprus sužydinys. Sužydintas srautas yra pagrindinė srauto forma degimo kameroje. Kadangi sužydinys dominuoja tiek srauto krypčiuje, tiek ir apskritimu krypčiuje, sužydinio turbulentūs skubeniai turi stipresnę anizotropiją nei tradiciniai rūtų, kanalo ar šilto srauto srautai. Todėl sužydinio skaičiavimui pateikiama didelė išbandymo užduotis turbulencijos modeliavimo metodams. Xia ir kt. naudojo VLES metodą, kad apskaičiuotų klasikinį stipriojo sužydinio srauto pavyzdį rūte; Dellenback ir kt. [14] atliko srauto lauko eksperimentus su šiuo pavyzdiu ir turi detalius eksperimentinius duomenis. Apskaičiuoto pavyzdžio srauto Reynoldo skaičius yra 1,0 × 105 (pagal apskritosios potvės skersmenį) ir sukimo skaičius yra 1,23. Skaičiavimui naudojami du rinkinių struktūrizuotų tinklų. Sumažintų tinklų (M1) bendras skaičius yra apie 900 000, o užšifruotų tinklų (M2) bendras skaičius yra apie 5,1 milijono. Statistiniai momentai, gauti skaičiavimu, vėliau lyginami su eksperimentiniais rezultatais, kad būtų patikrinta VLES metodu skaičiavimo tikslumas.

Palyginimas skirtingų metodų apskaičiavimo rezultatų ir eksperimentinių rezultatų, susijusių su radialios vidutinio greičio ir pulsuojančio greičio skirstymu įvairiose nuotolių pozicijose po šaltinį esančio stipraus sukimosi srauto, pateiktas 4-ajame brėžinyje. Brėžinyje horizontalės ir vertikalės koordinatės yra bevardžiai atstumas ir bevardžio greitis atitinkamai, kur D1 yra įeities apvalaus potvio skersmuo, o Uin – įeities vidutinis greitis. Iš brėžinio matyti, kad srautas rodo tipišką Rankino panašų sudėtingą vortiką, laipsniškai perėjantį į vienintelį tvirto kūno vortiką. Palyginus apskaičiavimus ir eksperimentinius duomenis, galima nustatyti, kad VLES metodas turi aukštą tikslumą prognozuojant apskritimą esančio vidutinio greičio stiprąsias sukimosi sroves, gerai sutampančius su eksperimentiniais matavimais. Tradicinis RANS metodas turi labai didelę nuokrypį sukimosi srautų apskaičiavimuose ir negali teisingai prognozuoti erdvės evoliucijos sukimosi srauto lauko ir turbulentumo pulsacijų. Palyginti, VLES metodas turi labai aukštą tikslumą prognozuojant vidutinio greičio lauką, pulsuojančio greičio lauką ir erdvės evoliuciją sudėtingose stipriai sukantis sroves, taip pat gali užtikrinti aukštą apskaičiavimo tikslumą net labai rūšių tinkle. Prognozuojant apskritimą esančio vidutinio greičio, VLES metodo apskaičiavimai esanti pagrindiniai abiejose rūšių tankio rezoliucijose – rūšiose ir tankiose.

Didelių virpesių modeliavimas turbulentaus degimo procese

Norint įvertinti VLES metodu galimybę prognozuoti turbulentaus degimo problemas [15-16], buvo kurtas turbulentaus degimo modelis, pagrįstas VLES metodu ir sujungtas su flamedžio generuojamomis daugopacmis (FGM). Pagrindinė mintis yra tai, kad vietiniu lygiu turbutinis dangas turi vienmatį laminarinį flamso struktūrą, o turbutinio flamso paviršius yra aibės vidurkis iš serijos lamineinių flamso paviršių. Taigi, aukštdimensinis sandų erdvė gali būti atvaizduojama į žemdimensinę srovės schemą, sudarytą iš keliių charakteristinių kintamųjų (mišinio dalis, reakcijos pažangos kintamasis ir kt.). Atsižvelgiant į detalų reakcijos mechanizmą, sprendžiamų transporto lygčių skaičius yra didžiai sumažintas, todėl ryškiai sumažomas skaičiavimo sąnaudų.

Konkrečias realizavimo procedūra yra sukurti FGM sluoksnių duomenų lentelę, remiantis mišinio dalimi ir reakcijos pažangos kintamaisiais, įvertinant turbulentaus degimo sąveiką, priimant tikimybinę tankio funkciją, kad integruotumėte sluoksnių duomenų lentelę, ir taip gautumėte turbulentųjų duomenų lentelę. Skaitiniuose skaičiuose sprendžiamos mišinio dalies, reakcijos pažangos kintamųjų ir atitinkamų dispersijų perdavimo lygtys, o degimo lauko informacija gaunama nuskaitydami iš turbulentųjų duomenų lenteles.

Buvo naudojamas turbulentios degimo modelis, pagrįstas VLES ir FGM, norint atlikti skaitinius skaičiavimus dėl metano/oro turbulentinio straipsnio degimo (Flame D), matuotų Sandia laboratorijoje JAV, bei buvo atliktos kiekybinės lyginamosios analizės su eksperimentiniais matavimų duomenimis. Sandia Flame D pavyzdžio kuro medžiaga (Reynoldo skaičius yra 22400) yra pilnas metano ir oro mišinys tūrio santykiu 1:3, kuro įvesties greitis apie 49,9 m/s, o atostogų greitis apie 11,4 m/s. Funkcijinės degalai yra išdegęs metanas ir oras, o atostogų medžiaga yra garsas. Skaičiavimui naudojamas struktūruotas tinklas, o viso tinklų skaičius yra apie 1,9 milijono.

Skirstymas vidutinių masės dalykų skirtingų komponentų už vandenyno ašies rodoma figūroje 5. Horizontalios ir vertikalios koordinatės figūroje yra dimensijos neatsitiktinio atstumo (D2 yra įeities sriubos pločio) ir dimensijos neatsitiktinio masės dalyko, atitinkamai. Galima matyti iš figūros, kad pagrindinių degimo proceso komponentų prognozė VLES metodu bendrai sutampa su eksperimentiniais rezultatais. Skirtumo temperatūros skirtingose tolimesnių vietose mišinio frakcijos erdvėje rodoma figūroje 6. Galima matyti iš figūros, kad skirtumo trendas, prognozuojamas VLES metodu, esantią sutampa su eksperimentiniais rezultatais, o tik apskaičiuota temperatūra ekstremalio reikšmė yra šiek tiek didesnė nei eksperimentinis vertė. Momentinės vortikalės, temperatūros ir sprendimo kontrolės funkcijos apskaičiuotas VLES rodoma figūroje 7, kur solidus linija yra priimta kaip Zst=0.351. Galima matyti iš figūros, kad branduolio sriubos srityje parodomas stiprus turbulentus pulsuotę, ir kaip srautas laukas tolimesniame vystosi, vortikalės struktūros mastelis keliauja. Kaip galima matyti iš figūros 7 (b) ir (c), daugumą cheminėse reakcijos srityse, sprendimo kontrolės funkcija yra tarp 0 ir 1, tai reiškia, kad vietos tinklo sprendimas gali fiksuoti didelius turbulencijos mastelius ir tik mažus modeliuoti per modelį. Šiuo metu VLES elgiasi kaip artimas didelių virpesių modeliavimo sprendimo režimas. Jet shear sluoksnyje ir tolimesniame liesos užkrautuose kraštuose, sprendimo kontrolės funkcija yra arti 1, tai reiškia, kad apskaičiuoto tinklo trankucijos filtravimo mastelis yra didesnis nei vietos turbulencijos mastelis. Šiuo metu VLES elgiasi kaip nestabilus Reynoldso vidurkio sprendimo režimas. Sumuokdamas, galima pastebėti, kad VLES metodas gali realizuoti keletą turbulencijos sprendimo režimų transformaciją pagal realaus laiko vortikalės struktūros vystymosi charakteristikas ir gali tiksliai prognozuoti nestabilų degimą procesus turbulentinėse liesose.

Didelių straumėlių modeliavimas viso atomizacijos proceso metu

Dauguma kuro, naudojamo lėktuvo variklio degimo kameroje, yra skystasis kuras. Skystasis kuras patekdamas į degimo kamerą undergoes pirmosios ir antrosios atomizacijos procesus. Simuliuojant visą skystojo kuro atomizacijos procesą kilus daugiau nei vienai sunkumui, įskaitant dujų ir skysčio dviejų fazių topologinio sąsajos konfigūracijos nustatymą, skystojo stulpelio deformaciją ir sutrikimą, skystojo juostų ir niuolių suskirstymo į daleles evoliuciją bei turbulentaus srauto ir dalelės sąveiką. Huang Ziwei [19] sukūrė viso atomizacijos proceso modelį, pagrįstą VLES metodu, sujungtu su VOFDPM hibridiniu atomizacijos skaičiavimo metodu, realizavęs visą kuro atomizacijos numerinį modeliavimą nuo tolydžiojo skysčio iki atskirų dalelių.

Buvo naudojamas naujai sukurtas atomizacijos procesų modeliavimo modelis, norint atlikti aukštos tikslumo skaitmeninius skaičiavimus klasikinio šoninio srauto skystojo stulpelio atomizacijos proceso metu, bei buvo atliktas išsami palyginimas su eksperimentiniais rezultatais, pateiktymi viešajame žodžiu [20] ir didelių virpesių modeliavimo skaičiavimais [21]. Skaičiavimo pavyzdžiuje dujos faza yra oro su greičiais 77,89 ir 110,0 m/s atitinkamai, o skystoji faza yra vandens su greičiu 8,6 m/s. Atitinkami Weber skaičiai yra 100 ir 200. Norint geriau simuliavo antrąją skilimo procesą, skilimo modelyje yra naudojamas Kelvin-Helmholtz ir Rayleigh-Taylor (KHRT) modelis.

Visas atomizacijos procesas, kurį VLES yra nusprendęs Weberio skaičiaus 100 sąlygomis, pavaizduotas 8-ajame brūkšnyje. Iš brūkšnio matyti, kad pradiniame etape užpildomas plonas skysčio stulpelis, o vėliau skysčio stulpelis suskirsto į skysčio juostas ir filamatus, o jie kartu su aerodinaminės jėgos veiksmu suskirsto į daleles, kurios toliau suskirstomos į mažesnes daleles antriniuose skilimuose. Struožių greitis ir abipusis vortikalumo skirstymas, apskaičiuotas VLES Weberio skaičiaus 100 sąlygomis, pavaizduotas 9-ajame brūkšnyje. Iš brūkšnio matyti, kad skysčio stulpelio atviroje puseje yra tipiška lėtojo greičio recirkuliacijos zona. Momentinio vortikalumo skirstymo analizė rodo, kad skysčio stulpelio atvirajame pusėje formuojasi galinga vorteksų struktūra, o galingas turbulentus judėjimas lėtojo greičio recirkuliacijos zonoje prisideda prie skysčio stulpelio lapo sutrikimo ir dalelių formavimosi.

Santykis tarp pradinių straumos pločio ir mažiausio skysčio straumos matmenų, kai skysčio stulpelis prasideda skilimasis į skaitmenis, esant skirtingiems Vebero skaičiams, parodytas 10-ajame brėžinyje. Brėžinyje di yra mažiausias skysčio straumos matmuo, kai skysčio stulpelis prasideda skilimasis, o D3 yra pradinis skysčio straumos pločio matmuo. Iš brėžinio matyti, kad VLES apskaičiavimo rezultatai gerai sutampa su eksperimentiniais duomenimis, kurie yra geresni nei literatūroje [21] pateikiami didelių virpesių modeliavimo apskaičiavimo rezultatai.

Degimo nestabilumas labai didelių virpesių modeliavimas

Norint atitikti mažų šilutėjimų reikalavimus, civilinių oro laivų degimo kambariai dažniausiai yra sukonstruojami naudojant ankstyvai sumaištą arba dalinai sumaištą varžkų degimą. Tačiau varžkų ankstas sumaišytas degimas turi blogą stabilumą ir gali sukelti termodinaminio tipo svyravimus, kurie priveda prie degimo nestabilumo. Degimo nestabilumas yra labai sunaikinantis ir gali sukelti problemas, tokias kaip atgalinis degimo bangos poslinkis ir tikrasis deformavimas, kas yra išskirtinis problemų, su kuriomis susiduria degimo kambario projektavimas.

Skaičiavimo numerinis kuro degimo nestabilumo gali būti padalintas į du kategorijas: atskiriamoji ir tiesioginio sujungimo metodą. Atskirtasis kuro degimo nestabilumo prognozavimo metodas atskiria nestabilų kuro degimą ir garso sprendimus. Nestabilus kuro degimas reikalauja daug skaičiavimo pavyzdžių, kad būtų sukurtas patikimas liesos aprašymo funkcija. Jei naudojamas didelių vamzdžių skaičiavimo metodas, jo skaičiavimo išteklių sąnaudos yra per didelės. Tiesioginis sujungimo skaičiavimo metodas remiasi sutrumpintu sprendimo metodu ir tiesiogiai gauna kuro degimo nestabilumo rezultatą per aukštos tikslumo nestabilumo skaičiavimą, tai yra, nestabilus kuro degimas ir garso sujungimo skaičiavimo procesas tam tikromis darbo sąlygomis yra užbaigiamas kartu tame pačiame skaičiavimo rėžime.

Skaičiavimo modelio, skirtumo kaitos nestabilumui tyrimui, studijose Huang ir kt. [27] buvo sukurtas kaitos nestabilumo skaičiavimo modelis, pagrįstas VLES metodu, susietu su stiprinto ugnies skaičiavimo metodu, ir pasiekta tiksliai prognozuojama nestabilio kuro proceso dinamika akustinės stimuliacijos sąlygomis. Skaičiavimo pavyzdys yra statinė Cambridge universiteto sukelta etilenas/oro pilnai priekabintas ugnis, su ekvivalentumo santykiu 0,55 ir Rejnos skaičiumi apie 17000. Lyginimas tarp VLES skaičiavimo rezultatų ir eksperimentinių duomenų dėl akustinės stimuliacijos veiksmo į nestabilias ugnies dinaminę charakteristiką pateiktas 12-ajame paveiksle. Iš paveikslio matyti, kad per įvesties stimuliacijos procesą, ugnis sukasi vidiniuose ir išoriniuose šluostelėse ir vystosi į priešvirčių judėjimo porą. Šiame procese, grybų formos ugnies evoliucija tęsis kartu su fazės kampų pokyčiais. VLES skaičiavimo rezultatai gerai atspindi eksperimentiniu būdu stebėtus ugnies evoliucijos charakteristikas. Amplitudės ir 160 Hz akustinės stimuliacijos veiksmo tiesioginio atsako fazių skirtumų lyginimas, gautas naudojant skirtingus skaičiavimo metodus ir eksperimentinius matavimus, pateiktas 13-ajame paveiksle. Paveiksle Q' ir Q ͂ atitinkamai yra pulsuojančio šilumos išsiskyrimo ir vidutinio šilumos išsiskyrimo degimo rodikliai, A yra sinusinės garso akustinės suklastotumo amplitudė, o ordinate 13 (b) paveiksle yra fazės skirtumas tarp laikinosio šilumos išsiskyrimo signalo degimui akustinės suklastotumo sąlygomis ir įeinamojo greičio suklastotumo signalo. Kaip matyti iš paveikslo, VLES metodu nustatyta tikslumas yra palyginti tokia pati kaip didelių virpesių modeliavimo [28] tikslumas, ir abu gerai sutampa su eksperimentiniais duomenimis. Nekintant, nestabilus RANS metodas prognozuoja netiesinių atsakymų kryptį, skaičiuoti kiekybiniai rezultatai labai skiriasi nuo eksperimentinių reikšmių. Dėl fazės skirtumo rezultatams (paveikslas 13 (b)), VLES metodu su suklastotumo amplitudėmis buvo nustatyta tendencija, kuri esanti pagal ekspertimentinius duomenis, nors didelių virpesių modeliavimo rezultatai neatskleidžia minėtos tendencijos.