Pētījumu progress par aviācijas dzinēja degļu komorai aerodinamisko uzvedību, balstoties uz lielu vortusu simulāciju

Pētījumu progress par aviācijas dzinēja degļu komorai aerodinamisko uzvedību, balstoties uz lielu vortusu simulāciju

Sagriešanas kamara ir viena no galvenajām komponentēm aviolokomotīvas motoram, un šīs kameras aerodinamiskais uzvediens spēlē būtisku lomu veselā motora darbībā. Lai atbilstu arvien striktākiem tehniskajiem prasībām attiecībā uz sagriešanas kameru motoram, sagriešanas organizācijas veids un plūsmas raksturlielumi iekšpusē kamerā ir kļuvuši ļoti sarežģīti. Difuzera palēnināšanas un piepildīšanas process var sastapties ar plūsmas atdalīšanos zem stipra negatīva spiediena gradiента; gaisa straume pārvietojas cauri vairākām stāžu vilkdams ierīcēm, izveidojot lielu mēroga virpuli struktūru, kas no vienas puses veicina dažādu degvielas atomizāciju un evaporation, veidojot stipri pulsujošu, nestabilu sajaukumu ar degvielu, un no otras puses radot stacionāru flamu aerodinamiskajā atgriezenes zonā; galvenās sagriešanas/mixing caurules vairāku jutu interakcija ar horizontālo plūsmu flambu tubā veido pretēji rotējošo virpuli pāri, kas ietekmē turbulentās sajaukšanas procesus. Turklāt, pamata plūsmas procesos notiek daudzmaiņu fizikālie un ķīmiskie procesi, piemēram, atomizācija un evaporation, sajaukšana, ķīmiskā reakcija, un turbulence un flamas interakcija, kas ir stipri savienoti un kopīgi noteic atsevišķas sagriešanas kameras aerodinamiskās raksturlielumus. Šo fizikālo un ķīmisko procesu augstprecizitātes modelēšana un aprēķini visā laikā ir bijuši pētniecības aktuālā tēma gan Zinātnē, gan Praktikā.

Šķīdināšanas, evaporation, mikšķināšanas un degšanas procesi degstības kambarī attīstās un evolūcijas turbulentā virpulainā vidē, tāpēc plūsmas ir pamats degstības kambarim aerodinamisko īpašību simulēšanai. Turbulences pamatdzīvnieks ir tas, ka plūsmas parametri parāda nejaušu pulsošanu dēļ nelineāras konvekcijas procesa. Turbulence satur daudz virpuliņu struktūru. Atšķirīgu virpuļu garuma un laika mērogus apjoms ir milzīgs, un ar Reynolds skaitļa pieaugumu mērogu starpības strauji palielinās. Atkarībā no proporcijām, kurās tiek tieši atrisinātas turbulentās virpuliņu struktūras, turbulence simulē  metodes ir sadalītas uz tiešo skaitlisko simulāciju (DNS), Reynolds vidējo Navier-Stokes (RANS), lielu vijoli simulāciju (LES) un hibrīda turbulentuma simulācijas metodes. RANS metode, kas plaši tiek izmantota inženierzinātnē, risina turbulentās vidējās laukus un izmanto modeli, lai simulu visu turbulentās pulsu informāciju. Aprēķinu apjoms ir mazs, bet precizitāte ir sliktāka. Spēcīgiem ritinājumiem un nestabilajiem plūsmu procesiem degvielas istabā RANS nevar atbilstīgi izpildīt precīzu dizaina prasības. Pitsch norādīja, ka LES aprēķinu sarežģītība atrodas starp RANS un DNS, un tā pašlaik tiek izmantota turbulentās degšanas aprēķinos nesatrauktās teritorijās ar vidējiem un zemiem Reynolda skaitļiem. Turklāt, tā kā tuvumā pie sienām degvielas istabā turbulence ir maza mēroga un plūsma ir ar augstu Reynolda skaitli, tikai viena degvielas istabas galvenes LES aprēķinam nepieciešamo režģu skaits ir no simtiem miljoniem līdz miljardiem. Tāda augsta aprēķinu resursu patēriņa dēļ LES izmantošana degvielas istabu simulācijās ir ierobežota.

Augstas precizitātes aprēķinu modelu un metožu izveide, pamatojoties uz ļoti lielu vijoliņu simulāciju (Very Large Eddy Simulation - VLES) un Hibrīda RANS-LES Metodes sistēmu, ir svarīgs trends skaitliskajās simulācijās. VLES metode, ko izstrādāja Han un kolēģi, risina problēmu par zemu aprēķinu efektivitāti, kas radusies tradicionālajā LES, saistībā ar filtrēšanas tīkla mērogu un turbulentuma mērogu atbilstības ierobežojumiem, un realizē kopu modelēšanu starp turbulentuma daudzmērogu raksturlielībām, pagaidu evolūcijas raksturlielībām un tīkla atšķirības pakāpi. VLES adaptīvi pielāgo proporcijas starp turbulentuma atrisināšanu un modeļa modelēšanu, pamatojoties uz reāllaiku vijoliņu struktūru evolūcijas raksturlielībām, nozīmīgi samazinot aprēķinu izmaksas, vienlaikus saglabājot aprēķinu precizitāti.

Tomēr, salīdzinot ar tradicionālo LES, VLES teoriju un īpašībām nav pietiekami izpētītas un izmantotas. Šis raksts sistēmatiski ievada par VLES modelēšanas teoriju un tās pielietojuma efektu dažādos fizikas scenārijos, kas saistīti ar degļu kameras, uzspiežot VLES lielapjoma pielietojumu aviolokomotīvu dzinēju degļu kameras simulēšanas jomā.

Liela Eddi Simulācijas Metode

Parādīta ietekme, kāda ir turbulentuma simulēšanas metožu uz aprēķinu resursu patēriņu un modelus, skat. attēlu 1. RANS, LES un VLES metodes vispār vienmēr sasniedz plūsmas simulēšanu caur turbulentuma modelēšanu. Jāpiebilst, ka agrākākā skaidrā definīcija par VLES tika sniegta no Popen puses, kas attiecas uz "aprēķināšanas režģa mērogu, kas ir pārāk liels, lai tieši atrisinātu turbulentās cinētiskās enerģijas daļu, kas sastāv no 80% no kopējās turbulentās cinētiskās enerģijas". Tiek uzskatīts, ka LES definīcija, kas tika sniegta no Popen puses [6], ir "aprēķināšanas režģis ir ļoti smalks, lai tieši atrisinātu vairāk nekā 80% no kopējās turbulentās cinētiskās enerģijas". Tomēr jāpiebilst, ka šajā rakstā ieviestais VLES ir jauns aprēķināšanas metode, kas ir remodelēta un attīstīta no iepriekšējās metodes pamata. Patiesībā nosaukumi ir vienādi, bet jaunais VLES metodes būtībā atšķiras no VLES metodes, ko definēja Pope. Kā var redzēt no attēla, tradicionālie turbulentuma režīmi secībā pēc aprēķināšanas precizitātes ir RANS, URANS, hibrīds RANS/LES, LES un DNS. Jaunā modeļa struktūrā turbulentuma režīmi tiek sadalīti RANS, VLES un DNS secībā pēc aprēķināšanas precizitātes. Tas nozīmē, ka VLES metode realizē vairāku tradicionālo turbulentuma režīmu vienošanu, un dažādi modeli adaptīvi pārejas un konvertējas gludi pēc vietējiem raksturiem faktiskos aprēķinos.

Simulācija parastiem fizikas procesiem degvietā

Ļoti lielu eddu simulācija stiprā vijuma plūsmā

Aviācijas dzinēja degvieta parasti izmanto dažādus plūsma organizācijas veidus, piemēram, vairāku posmu vijumu un stipru vijumu. Vijums ir galvenais plūsma formas tips degvietā. Kad vijums dominē gan plūsmas virzienā, gan aplokā, tā slīkšņainās pulsācijas ir stiprāk anizotropiskas nekā tradicionālajā caurullē, kanālplūsmā un šķirstības plūsmā. Tāpēc vijuma numatiskā simulācija ir liels izzugums turbulences simulācijas metodei. Xia un citi izmantoja VLES metodi, lai aprēķinātu klasiķisko stipro vijuma plūsmu piemēru caurullē; Dellenback un citi [14] veica plūsma eksperimentus par šo piemēru un nodrošināja detalizētus eksperimentālos datus. Aprēķinātā piemēra plūsma Reynolds skaitlis ir 1,0. × 105 (atbilstot riņķveida caurules diametram) un ritinājuma skaitlis ir 1,23. Aprēķinos tiek izmantotas divas struktūrizētu režģu kopas. Reti režģu kopas (M1) kopējais skaits ir aptuveni 900 000, bet šifrēto režģu kopas (M2) kopējais skaits ir aptuveni 5,1 miljoni. Statistiskie momenti, kas iegūti aprēķinos, tālāk tiek salīdzināti ar eksperimentālajiem rezultātiem, lai pārbaudītu VLES metodes aprēķinu precizitāti.

Salīdzinājums starp aprēķinu rezultātiem no dažādām metode un eksperimentālajiem rezultātiem par rādiālo sadalījumu apļa vidējās ātruma un pulsojošās ātruma komponentēm dažādās pozīcijās uzplūsmas virzienā stiprā vairoņveida plūsmā ir attēlotais 4. figūrā. Figūrā horizontālie un vertikālie koordinātes ir bezdimensiju attālums un bezdimensiju ātrums, kur D1 ir ieejas apļveida caurules diametrs un Uin ir ieejas vidējā ātrums. Kā redzams no figūras, plūsmas laukums parāda tipisku Rankina līdzīgu kompleksu vairoņu, kas pārejas uz vienu cietās jaudas vairoņu. Aprēķinu un eksperimenta rezultātu salīdzinājumā var konstatēt, ka VLES metodei ir augsts aprēķinu precizitātes līmenis attiecībā uz apļa ātruma prognozēšanu stiprā vairoņveida plūsmā, kas labi atbilst eksperimentālajiem mērījumiem. Tradicionālā RANS metode ir ļoti liela atkāpe vairoņveida plūsmas aprēķinos un nevar pareizi prognozēt vairoņveida plūsmas lauka telpiskās evolucionēšanas un turbulentās pulsošanas parametrus. Salīdzinājumā VLES metodei ir ļoti augsta precizitāte attiecībā uz vidējā ātruma lauka, pulsojošā ātruma lauka un telpiskās evolucionēšanas prognozēšanu sarežģītās stiprās vairoņveida plūsmās, un tas var garantēt augstu aprēķinu precizitāti pat ar relatīvi retu režģa locekļu skaitu. Apļa vidējā ātruma prognozēšanai VLES metodes aprēķinātie rezultāti ir galvenokārt vienādi divos režģa locekļu skaita variantos - gan ar retu, gan ar blīvu režģi.

Liela Edija simulācija turbulentajam degšanai

Lai pētītu VLES metodes pielietojamību turbulentu degšanu paredzot [15-16], tika izstrādāta turbulentās degšanas modelis, kas balstīts uz VLES metodi, savienotu ar flamelu ģenerētajiem manifoldejiem (FGM). Pamatideja ir pieņemt, ka turbinēta flamma lokāli ir viendimensjonāla laminerā flamas struktūra un ka turbinētas flamas virsma ir kopas vidējā vērtība no daudziem laminerā flamas virsmu apakškopām. Tādējādi augstdimensionālais sastāvdaļu telpa var tikt kartēta uz zemdimensionālu plūsmas modeli, kas sastāv no dažām raksturīgām mainīgajām (maiņas daļskaitlis, reakcijas progreses mainīgais utt.). Ņemot vērā detalizēto reakcijas mehānismu, jārisina transporta vienādojumu skaits tiek lieliski samazināts, kas nozīmē, ka aprēķinu izmaksas signifikanti samazinās.

Konkrētā realizācijas process ir FGM slāņa datu tabulu veidošana, pamatojoties uz maiņas daļu un reakcijas progresā varējamo mainīgo, ņemot vērā turbulentas degšanas interakciju, pieņemot varbūtības blīvuma funkcijas metodi, lai integrētu slāņa datu tabulu, un tādējādi iegūtu turbulentās datu tabulas. Skaitliskajā aprēķinā šķita vienādojumi par maiņas daļu, reakcijas progresā mainīgajiem un atbilstošajiem dispersijas mainīgajiem, un, apmeklējot turbulentās datu tabulas, iegūst informāciju par degšanas lauku.

Turbulentās degšanas modelis, balstīts uz VLES un FGM, tika izmantots, lai veiktu skaitliskus aprēķinus par metāna/gaisa turbulentajiem straumiem (Flame D), kas tika mērīti Amerikas Sandia laboratorijā, un tika veiktas kvantitātivas salīdzinājuma ar eksperimentāliem mērījumiem. Sandia Flame D piemēra kurināmā materiāla (Reinolds skaitlis ir 22400) ir pilns metāna un gaisa maiņa ar apjoma attiecību 1:3, kurinājuma ieejas ātrums ir aptuveni 49,9 m/s, un atpakaļstrāvas ātrums ir aptuveni 11,4 m/s. Parastā ugunskurs ir sastāvīgs no sagrieztā metāna un gaisa, savukārt atpakaļstrāvas materiāls ir tikai gaisma. Aprēķinam tiek izmantota struktūrizēta režģja, un kopējais režģa punktu skaits ir aptuveni 1,9 miljoni.

Dalībnieku vidējās masas daļas sadalījums pa ass virzieniem ir parādīts attēlā 5. Attēlā horizontālie un vertikālie koordinātes ir bezdimensiju attālums (D2 ir ieejas straumes caurules diametrs) un bezdimensiju masa attiecīgi. No attēla redzams, ka galveno degšanas procesa sastāvdaļu prognozēšana ar VLES metodi kopumā atbilst eksperimentālajiem rezultātiem. Dažādu pozīciju temperatūras izkliedētā sadalījuma attēls maiņas frakcijas telpā ir parādīts attēlā 6. No attēla redzams, ka VLES metodes prognozētais izkliedētā sadalījuma trends pamatnolīdzināti sakrīt ar eksperimentālajiem rezultātiem, un tikai aprēķinātā temperatūras ekstremālā vērtība ir mazliet augstāka nekā eksperimentālā vērtība. Attēlā 7 ir parādīts VLES aprēķināta momentānā vorticitātes, temperatūras un atrisinājuma kontroles funkcija, kur solidā līnija ir pieņemta kā Zst=0.351. No attēla redzams, ka centrālajā straumes zonā parādās stipra turbulentā pulssacīšana, un pēc tam, kad plūsmas lauks attīstās uz leju pa straumi, vortikālā struktūru mērogs progresīvi pieaug. Kā var redzēt no attēla 7 (b) un (c), lielākajā daļā chemiskā reakcijas zonām atrisinājuma kontroles funkcija atrodas starp 0 un 1, kas norāda, ka lokālais režģis spēj uzmeklēt lielus turbulences mērogus un tikai modelē mazos turbulences mērogus. Šajā brīdī VLES uzvedas kā aptuveni lielu vērsumu simulēšanas risinājuma režīms. Strēlnes šķērsgriezuma un lejplūsmas flambē ārējās malās atrisinājuma kontroles funkcija tuvojas 1, kas norāda, ka aprēķināšanas režģa apjoztā filtrēšanas mērogs ir lielāks nekā lokālais turbulence mērogs. Šajā brīdī VLES uzvedas kā nestabilu Rejnolds vidējotā risinājuma režīms. Kopumā redzams, ka VLES metode spēj realizēt dažādu turbulences risinājumu režīmu pāreju atbilstoši vortikālo struktūru evolucionēšanas reālajam laikam un precīzi prognozē nestabilo degšanas procesu turbulentajās flambēs.

Lielloku simulācija visam atomizācijas procesam

Lielākoties degviela, kas tiek izmantota lidmašīnas dzinēka degļu kamerā, ir vieldeguveida degviela. Vieldeguveida degviela ienāk degļu kameras un pārgāžas caur galveno atomizāciju un sekundāro atomizāciju. Simulējot vieldeguveida degveseles pilnīgu atomizācijas procesu, ir daudz grūtību, tostarp gāze-vieldegs divfāzu topoloģiskās saskarnes konfigurācijas noteikšana, vieldegļu kolonnas deformācija un sadalīšanās, vieldegļu juceņu un šķiedras sadalīšanās cirtumos, kā arī turbulentās straumes un cirtumu interakcija. Huang Ziwei [19] izstrādāja pilnu atomizācijas procesa simulācijas modeli, pamatojoties uz VLES metodi, kas savienojusies ar VOFDPM hibrīda atomizācijas aprēķināšanas metodi, realizējot numērisku simulāciju no kontinuālās vieldegs līdz diskretiem cirtumiem.

Lai veiktu augstas precizitātes skaitliskos aprēķinus par klasisku horizontālo plūsmas ūdens kolonnas atomizācijas procesu, tika izmantots jauni attīstīts atomizācijas procesa simulācijas models, un tika veikta detalizēta salīdzināšana ar eksperimentālajiem rezultātiem no atvērtajām publikācijām [20] un lielo edžu simulācijas aprēķina rezultātiem [21]. Aprēķinu piemērā gāzes fāze ir gaisma ar ātrumiem 77,89 un 110,0 m/s atbilstoši, un šķīduma fāze ir šķiedra ūdens ar ātrumu 8,6 m/s. Atbilstošie Vebera skaitļi ir 100 un 200 atbilstoši. Lai gan labāk simuluotu otru pārtraukšanas posmu, pārtraukšanas modelis izmanto Kelvin-Helmholtza un Rayleigh-Taylora (KHRT) modeli.

Pilnais atomizācijas process, kas paredzēts VLES modelim Webera skaita 100 apstākļos, parādīts attēlā 8. Kā redzams no attēla, sākotnējā zonā tiek veidots šķiedras loksnes plats, pēc tam šis stabs sadalās šķiedrās juceles un šķiedru loku formā, un tālāk tiek sadalīts dzelzs gabaliņos ar aerodinamiskas spējas iedarbību, kamēr dzelzs gabaliņi tiek vēl mazāk sadalīti otrreizējā sadalīšanās procesā. Strūkveida ātrums un vorticitātes izvietojums, aprēķināts VLES metode ar Webera skaitu 100, parādīts attēlā 9. Kā redzams no attēla, lejupgrieztajā šķiedru kolonnas pusē ir tipisks zems ātruma atpakaļstrāvas reģions. Instantānā vorticitātes izvietojuma dēļ var secināt, ka šķiedru kolonnas lejupgrieztajā pusē ir stiprs vortekss, un zema ātruma atpakaļstrāvas reģiona stiprais turbulentais kustējums padara šķiedru loksni traku un veicina dzelzs gabaliņu veidošanos.

Attiecība starp sākotnējo šķietnes diametru un minimālo plūsmas izmēru, kad vedējā kolonna sāk sadalīties dažādos Vebera skaitļu režīmos, parādīta attēlā 10. Attēlā di ir minimālais plūsmas izmērs vedējai, kad vedējā kolonna sāk sadalīties, un D3 ir sākotnējais vedējas diametrs. No attēla redzams, ka VLES aprēķinu rezultāti labi sakrīt ar eksperimentāliem rezultātiem, kas ir labāki nekā literatūras [21] lielo vērsumu simulācijas aprēķinu rezultāti.

Degšanas nestabilitāte ļoti lielu vērsumu simulācija

Lai atbilstu zemākiem emisijas prasībām, civiltu aviācijas degvielas kamerām parasti tiek izmantota iepriekš sajaukta vai daļēji iepriekš sajaukta zema degšana. Tomēr zema iepriekš sajaukta degšana ir neskaidra un viegli veicina termoakustisko savienojumu oscilāciju režīmus, kas ved pie degšanas nestabilitātes. Degšanas nestabilitāte ir ļoti sabiedrīgi un var būt saistīta ar problēmām, piemēram, atpakaļdegšanu un cilvēka deformāciju, kas ir izcilšana problēma, ar ko saskaras degvielas kameras dizaina procesā.

Skaitliskā kustības nestabilošanas aprēķināšana var tikt sadalīta divās kategorijās: atkopšanas metode un tiešā savienojuma metode. Atkopotā kustības nestabilošanas prognozēšanas metode atkopo neskaitlīgu degšanu un akustisko risinājumu. Neskaitlīga degšana prasa lielu skaitu skaitliskiem aprēķināšanas piemēriem, lai izveidotu uzticamu flambē aprakstošo funkciju. Ja tiek izmantota lielu vērsumu simulācijas aprēķināšanas metode, tās aprekināšanas resursu patēriņš ir pārāk liels. Tiešā savienojuma aprēķināšanas metode balstās uz sažņaudzināmo risinājumu metodi un tieši iegūst degšanas nestabilošanas rezultātu caur augstas precizitātes neskaitlīgu aprēķināšanu, tas ir, neskaitlīgās degšanas un akustikas savienojuma aprēķināšanas process noteiktajos darbības apstākļos tiek pabeigts vienā aprēķināšanas struktūrā.

Zinātniskās simulācijas pētījumos par degšanas nestabilitātes atkrišanu Huang un kolēģieri [27] izstrādāja degšanas nestabilitātes aprēķinu modeli, balstoties uz VLES metodi, kas savienota ar stiprināto flamu aprēķina metodi, un panāka precīzu nepiekāpuma degšanas procesa prognozi akustiskās stimulācijas apstākļos. Aprēķinu piemērs ir Cambridge Universitātes izstrādāta plakstveida etilēna/gaisa pilnīgi iepriekš saplūstošā flama ar ekvivalences koeficientu 0,55 un Rejnolda skaitli aptuveni 17000. VLES aprēķinu rezultātu salīdzinājums ar eksperimentālo nepiekāpuma flamas dinamikas raksturojumu akustiskās stimulācijas apstākļos redzams attēlā 12. Var redzēt, ka pieejas stimulācijas procesā flama krīt gan iekšējās, gan ārējās šķēršņu slāņos un attīstās līdz pretēji grieztajai vorteksa pāri. Šajā procesā sēnes formes evolūcija turpinās attīstīties, mainot fāzes leņķi. VLES aprēķinu rezultāti labi atgriež eksperimentāli novērotās flamas evolūcijas raksturlielumus. Amplitūdas un fāzes starpības salīdzinājums attiecībā uz 160 Hz akustisko stimulāciju, kas iegūtas, izmantojot dažādas aprēķinu metodes un eksperimentālas mērījumus, redzams attēlā 13. Attēlā Q' un Q ͂ atbilstoši ir pulsojošais siltuma atbrīvojums un vidējais siltuma atbrīvojums degšanā, A ir sinusoidālās akustiskās piesardzības amplitūda, un figūras 13 (b) ordināte ir fāzes starpība starp degšanas transitorisko siltuma atbrīvojuma signālu akustiskās piesardzības apstākļos un ieejas ātruma piesardzības signālu. Kā redzams no figūras, VLES metodes prognozēšanas precizitāte ir salīdzināma ar lielo virpulību simulēšanas [28] precizitāti, un abas ir labi sakritīgas ar eksperimentālajiem vērtībām. Nav drošs, ka nestabilā RANS metode pareizi prognozē nelineārās atbildes tendenci, tomēr aprēķinātie kvantitatīvie rezultāti lielā mērā atšķiras no eksperimentālajiem vērtībām. Fāzes starpības rezultātiem (figūra 13 (b)) VLES metode paredzētais fāzes atšķirības trends ar traucējumu amplitūdu pamatīgi sakrīt ar eksperimentālajiem rezultātiem, savukārt lielo virpulību simulēšanas rezultāti neparedz minēto trendi labi.