Pētījuma progress par gaisa kuģa dzinēja sadegšanas kameras aerodinamisko veiktspēju, pamatojoties uz lielu virpuļu simulāciju

Pētījuma progress par gaisa kuģa dzinēja sadegšanas kameras aerodinamisko veiktspēju, pamatojoties uz lielu virpuļu simulāciju

Sadegšanas kamera ir viena no gaisa kuģa dzinēja galvenajām sastāvdaļām, un sadegšanas kameras aerodinamiskajai darbībai ir būtiska nozīme visa dzinēja darbībā. Lai izpildītu arvien stingrākas dzinēja tehniskās prasības sadegšanas kamerai, sadegšanas organizācijas režīms un plūsmas raksturlielumi sadegšanas kamerā ir kļuvuši ļoti sarežģīti. Izkliedētāja palēnināšanas un spiediena palielināšanas process var saskarties ar plūsmas atdalīšanu spēcīga nelabvēlīga spiediena gradienta apstākļos; gaisa plūsma iziet cauri daudzpakāpju virpuļierīcei, veidojot liela mēroga virpuļstruktūru, kas, no vienas puses, veicina šķidrās degvielas izsmidzināšanu un iztvaikošanu un veido ar degvielu stipri pulsējošu, nestabilu maisījumu, no otras puses rada stacionāru liesmu aerodinamiskās recirkulācijas zonā; galvenās sadegšanas/sajaukšanas atveres vairākas strūklas mijiedarbojas ar sānu plūsmu liesmas caurulē, veidojot pretēji rotējošu virpuļu pāri, kam ir būtiska ietekme uz turbulento sajaukšanos. Pamatojoties uz plūsmu, daudzveidīgi fizikāli un ķīmiski procesi, piemēram, izsmidzināšana un iztvaikošana, sajaukšana, ķīmiskā reakcija un turbulences un liesmas mijiedarbība, ir cieši saistīti, kas kopīgi nosaka sadegšanas kameras aerodinamiskās īpašības. Šo fizikālo un ķīmisko procesu augstas precizitātes modelēšana un aprēķins vienmēr ir bijis aktuāls pētījumu temats gan mājās, gan ārvalstīs.

Izsmidzināšanas, iztvaikošanas, sajaukšanas un sadegšanas procesi sadegšanas kamerā attīstās un attīstās turbulentas plūsmas vidē, tāpēc plūsma ir sadegšanas kameras aerodinamiskās veiktspējas simulācijas pamatā. Turbulences pamatīpašība ir tāda, ka plūsmas parametri uzrāda nejaušu pulsāciju nelineārās konvekcijas procesa dēļ. Turbulence satur daudzas virpuļu struktūras. Dažādu virpuļu laidumi garumā un laika skalās ir milzīgi, un, pieaugot Reinoldsa skaitlim, laidumi starp skalām strauji palielinās. Atbilstoši tieši atrisināto turbulento virpuļu struktūru īpatsvaram, turbulences simulācija metodes tiek iedalītas tiešās skaitliskās simulācijas (DNS), Reinoldsa vidējās Navjē-Stoksa (RANS), lielo virpuļu simulācijas (LES) un jauktās turbulences simulācijas metodēs. RANS metode, ko plaši izmanto inženierzinātnēs, atrisina turbulento vidējo lauku un izmanto modeli, lai simulētu visu turbulento pulsāciju informāciju. Aprēķinu summa ir maza, bet precizitāte ir slikta. Spēcīgiem virpuļiem un nestabilas plūsmas procesiem sadegšanas kamerā RANS nevar izpildīt rafinētas konstrukcijas prasības. Pičs norādīja, ka LES skaitļošanas sarežģītība ir starp RANS un DNS, un pašlaik to izmanto turbulentas sadegšanas aprēķiniem neierobežotās telpās ar vidējiem un zemiem Reinoldsa skaitļiem. Sakarā ar nelielo turbulences mērogu sadegšanas kameras sienu tuvumā un plūsmas lielo Reinoldsa skaitli, režģu apjoms, kas nepieciešams, lai aprēķinātu LES tikai vienai sadegšanas kameras galvai, ir no simtiem miljonu līdz miljardiem. Šāds augsts skaitļošanas resursu patēriņš ierobežo LES plašo izmantošanu sadegšanas kameras simulācijās.

Augstas precizitātes aprēķinu modeļu un metožu izveide, pamatojoties uz Very Large Eddy Simulation (VLES) un Hybrid RANS-LES metodes ietvariem, ir svarīga skaitliskās simulācijas tendence. Han et al. izstrādātā VLES metode. atrisina zemas skaitļošanas efektivitātes problēmu, ko izraisa filtrēšanas režģa skala un turbulences skalas saskaņošanas ierobežojumu atrisināšana tradicionālajos LES, un realizē savienojuma modelēšanu starp turbulences daudzskalu raksturlielumiem, pārejošas evolūcijas raksturlielumiem un režģa izšķirtspēju. , VLES adaptīvi pielāgo attiecību starp turbulences risinājumu un modeļa modelēšanu, pamatojoties uz virpuļu struktūras evolūcijas reāllaika raksturlielumiem, ievērojami samazinot aprēķinu izmaksas, vienlaikus nodrošinot aprēķinu precizitāti.

Tomēr, salīdzinot ar tradicionālo LES, VLES teorija un īpašības nav plaši pētītas un izmantotas. Šis darbs sistemātiski iepazīstina ar VLES modelēšanas teoriju un tās pielietojuma efektiem dažādos fizikālos scenārijos, kas saistīti ar sadegšanas kamerām, veicinot VLES vērienīgu pielietojumu gaisa kuģu dzinēju sadegšanas kameras simulācijas jomā.

Lielo virpuļu simulācijas metode

Turbulences simulācijas metožu ietekme uz resursu patēriņa un modeļu aprēķināšanu ir parādīta 1. attēlā. RANS, LES un VLES metodes nodrošina plūsmas simulāciju, izmantojot turbulences modelēšanu. Jāatzīmē, ka agrāko skaidru VLES definīciju sniedza Pope, kas attiecas uz "skaitļošanas režģa skala ir pārāk rupja, lai tieši atrisinātā turbulentā kinētiskā enerģija būtu mazāka par 80% no kopējās turbulentās kinētiskās enerģijas". Tajā pašā laikā Pāvesta [6] dotā LES nozīme ir "skaitļošanas režģis ir ļoti smalks, lai tieši atrisinātā turbulentā kinētiskā enerģija būtu lielāka par 80% no kopējās turbulentās kinētiskās enerģijas". Tomēr jāatzīmē, ka šajā rakstā ieviestā VLES ir jauna skaitļošanas metode, kas ir pārveidota un izstrādāta, pamatojoties uz iepriekšējo metodi. Lai gan nosaukumi ir vienādi, jaunā VLES metode būtiski atšķiras no Pāvesta definētās VLES metodes. Kā redzams attēlā, tradicionālie turbulences režīmi ir RANS, URANS, hibrīda RANS/LES, LES un DNS aprēķinu precizitātes secībā. Saskaņā ar jauno modeļa sistēmu turbulences režīmi ir sadalīti RANS, VLES un DNS aprēķinu precizitātes secībā. Tas ir, VLES metode realizē vairāku tradicionālo turbulences režīmu apvienošanu, un dažādi modeļi adaptīvi pāriet un vienmērīgi konvertē atbilstoši vietējām īpašībām faktiskajos aprēķinos.

Tipisku fizikālo procesu simulācija sadegšanas kamerā

Ļoti liela virpuļplūsmas spēcīgas virpuļplūsmas simulācija

Gaisa kuģa dzinēja sadegšanas kamera parasti izmanto plūsmas lauka organizācijas formas, piemēram, daudzpakāpju virpuļošanu un spēcīgu virpuļošanu. Virpuļplūsma ir visvienkāršākā plūsmas forma sadegšanas kamerā. Tā kā virpulis dominē gan plūsmas virzienā, gan tangenciālajā virzienā, virpuļa turbulentajai pulsācijai ir spēcīgāka anizotropija nekā tradicionālajai cauruļu plūsmai, kanālu plūsmai un strūklas plūsmai. Tāpēc virpuļu skaitliskā simulācija rada lielu izaicinājumu turbulences simulācijas metodei. Xia et al. izmantoja VLES metodi, lai aprēķinātu klasiskās spēcīgas virpuļplūsmas piemēru caurulē; Dellenback et al. [14] veica plūsmas lauka eksperimentus ar šo piemēru un ieguva detalizētus eksperimentālos datus. Aprēķinātā piemēra plūsmas Reinoldsa skaitlis ir 1.0×105 (pamatojoties uz apļveida caurules diametru), un virpuļa skaitlis ir 1.23. Aprēķinos tiek izmantoti divi strukturētu režģu komplekti. Kopējais reto tīklu (M1) skaits ir aptuveni 900,000 2, bet kopējais šifrēto tīklu (M5.1) skaits ir aptuveni XNUMX miljons. Aprēķinos iegūtos statistisko momentu rezultātus tālāk salīdzina ar eksperimentālajiem rezultātiem, lai pārbaudītu VLES metodes aprēķinu precizitāti.

Dažādu metožu aprēķinu rezultātu un apkārtmēra vidējā ātruma un pulsējošā ātruma radiālā sadalījuma eksperimentālo rezultātu salīdzinājums dažādās lejupējās pozīcijās spēcīgas virpuļplūsmas apstākļos parādīts 4. attēlā. Attēlā horizontālās un vertikālās koordinātas ir attiecīgi bezizmēra attālums un bezizmēra ātrums, kur D1 ir ieplūdes cirkulārās caurules diametrs un Uin ir ieplūdes cirkulārās caurules diametrs. Kā redzams attēlā, plūsmas lauks parāda tipisku Rankinam līdzīgu savienojumu virpuli, kas pakāpeniski pāriet uz vienu stingru ķermeņa virpuli. Salīdzinot aprēķinu un eksperimentālos rezultātus, var konstatēt, ka VLES metodei ir augsta aprēķinu precizitāte spēcīgas virpuļplūsmas apkārtmēra ātruma prognozēšanai, kas labi saskan ar eksperimentālo mērījumu sadalījumu. Tradicionālajai RANS metodei ir ļoti liela novirze virpuļu plūsmas aprēķinā, un tā nevar pareizi prognozēt virpuļplūsmas lauka un turbulentās pulsācijas telpisko attīstību. Salīdzinājumam, VLES metodei ir ļoti augsta precizitāte vidējā ātruma lauka, pulsējošā ātruma lauka un telpiskās evolūcijas prognozēšanā sarežģītas spēcīgas virpuļplūsmas apstākļos, un tā joprojām var garantēt augstu aprēķinu precizitāti pat pie salīdzinoši retas režģa izšķirtspējas. Lai prognozētu apkārtmēru vidējo ātrumu, VLES metodes aprēķinu rezultāti būtībā ir konsekventi divās retās un blīvās režģa izšķirtspējas kopās.

Turbulentas sadegšanas liela virpuļveida simulācija

Lai izpētītu VLES metodes iespējamību turbulentās sadegšanas problēmu prognozēšanā [15-16], tika izstrādāts turbulentās sadegšanas modelis, kas balstīts uz VLES metodi savienojumā ar flameletgenerated kolektoriem (FGM). Pamatideja ir pieņemt, ka turbulentai liesmai lokāli ir viendimensionāla lamināra liesmas struktūra, un turbulentā liesmas virsma ir ansambļa vidējais rādītājs virknei lamināro liesmu virsmu. Tāpēc augstas dimensijas komponentu telpu var kartēt ar zemas dimensijas plūsmas modeli, kas sastāv no vairākiem raksturīgiem mainīgajiem (maisījuma frakcija, reakcijas progresa mainīgais utt.). Ja tiek ņemts vērā detalizēts reakcijas mehānisms, atrisināmo transporta vienādojumu skaits tiek ievērojami samazināts, tādējādi ievērojami samazinot skaitļošanas izmaksas.

Īpašais ieviešanas process ir izveidot FGM lamināro datu tabulu, pamatojoties uz maisījuma frakcijas un reakcijas progresa mainīgajiem, apsvērt mijiedarbību starp turbulento sadegšanu, pieņemot varbūtības blīvuma funkcijas metodi lamināro datu tabulas integrēšanai, un tādējādi iegūt turbulento datu tabulu. Skaitliskajā aprēķinā tiek atrisināti maisījuma frakcijas transporta vienādojumi, reakcijas gaitas mainīgie un atbilstošā dispersija, un sadegšanas lauka informācija tiek iegūta, vaicājot turbulento datu tabulu.

Turbulentās sadegšanas modelis, kas balstīts uz VLES un FGM, tika izmantots, lai veiktu metāna/gaisa turbulentās strūklas liesmas (liesma D) skaitliskos aprēķinus, ko mērīja Sandia laboratorija ASV, un tika veikti kvantitatīvi salīdzinājumi ar eksperimentālo mērījumu datiem. Degvielas materiāls Sandia Flame D piemērā (Reinoldsa skaitlis ir 22400) ir pilnīgs metāna un gaisa maisījums ar tilpuma attiecību 1:3, degvielas ieplūdes ātrums ir aptuveni 49.9 m/s, un aktivizēšanas ātrums ir aptuveni 11.4 m/s. Darba liesma ir sadedzināta metāna un gaisa maisījums, un modināšanas materiāls ir tīrs gaiss. Aprēķinos izmantots strukturēts režģis, un kopējais režģu skaits ir aptuveni 1.9 miljoni.

Dažādu komponentu vidējās masas daļas sadalījums pa asi ir parādīts 5. attēlā. Horizontālās un vertikālās koordinātas attēlā ir attiecīgi bezizmēra attālums (D2 ir ieplūdes strūklas caurules diametrs) un bezizmēra masas daļa. No attēla redzams, ka degšanas procesa galveno komponentu prognozēšana ar VLES metodi kopumā labi saskan ar eksperimenta rezultātiem. Temperatūras izkliedētais sadalījums dažādās lejupējās pozīcijās maisījuma frakcijas telpā ir parādīts 6. attēlā. No attēla redzams, ka ar VLES metodi prognozētā izkliedētā sadalījuma tendence būtībā atbilst eksperimenta rezultātiem, un tikai aprēķinātā temperatūras galējā vērtība ir nedaudz augstāka par eksperimentālo vērtību. VLES aprēķinātās momentānās virpuļošanas, temperatūras un izšķirtspējas kontroles funkcijas sadalījums parādīts 7. attēlā, kur nepārtrauktā līnija ņemta kā Zst=0.351. No attēla var redzēt, ka kodola strūklas laukums uzrāda spēcīgu turbulentu pulsāciju, un, plūsmas laukam attīstoties lejup pa straumi, virpuļa struktūras mērogs pakāpeniski palielinās. Kā redzams 7. (b) un (c) attēlā, lielākajā daļā ķīmisko reakciju apgabalu izšķirtspējas kontroles funkcija ir no 0 līdz 1, kas norāda, ka vietējā režģa izšķirtspēja var uztvert liela mēroga turbulenci un modelēt tikai neliela mēroga turbulenci. Šobrīd VLES darbojas kā aptuvens lielu virpuļu simulācijas risinājuma režīms. Strūklas bīdes slānī un pakārtotās liesmas ārējā malā izšķirtspējas kontroles funkcija ir tuvu 1, kas norāda, ka skaitļošanas režģa atdalītā filtra skala ir lielāka par vietējās turbulences skalu. Šobrīd VLES darbojas kā nestabils Reinoldsa vidējā risinājuma režīms. Rezumējot, var redzēt, ka VLES metode var realizēt vairāku turbulences risinājumu režīmu pārveidošanu atbilstoši virpuļu struktūras evolūcijas reāllaika raksturlielumiem un var precīzi paredzēt nestabilo sadegšanas procesu turbulentās liesmās.

Pilna atomizācijas procesa liela virpuļmodelēšana

Lielākā daļa lidmašīnas dzinēja sadegšanas kamerā izmantotās degvielas ir šķidrā degviela. Šķidrā degviela nonāk sadegšanas kamerā un tiek pakļauta primārās izsmidzināšanas un sekundārās izsmidzināšanas procesiem. Ir daudzas grūtības, modelējot pilnīgu šķidrās degvielas izsmidzināšanas procesu, tostarp gāzes un šķidruma divfāzu topoloģiskās saskarnes konfigurācijas uztveršanu, šķidruma kolonnas deformāciju un plīsumu, šķidruma joslu un šķidruma pavedienu sadalīšanos pilienos un mijiedarbību starp turbulento plūsmu un pilieniem. Huangs Zivejs [19] izstrādāja pilnīgu izsmidzināšanas procesa simulācijas modeli, kas balstīts uz VLES metodi savienojumā ar VOFDPM hibrīda atomizācijas aprēķina metodi, realizējot pilna procesa skaitlisko simulāciju degvielas izsmidzināšanai no nepārtraukta šķidruma līdz diskrētiem pilieniem.

Klasiskā sānplūsmas šķidruma kolonnas izsmidzināšanas procesa augstas precizitātes skaitliskos aprēķinos tika izmantots jaunizstrādāts atomizācijas procesa simulācijas modelis, kā arī veikts detalizēts salīdzinājums ar eksperimenta rezultātiem atklātajā literatūrā [20] un lielo virpuļu simulācijas aprēķinu rezultātiem [21]. Aprēķina piemērā gāzes fāze ir gaiss ar ātrumu attiecīgi 77.89 un 110.0 m/s, bet šķidrā fāze ir šķidrs ūdens ar ātrumu 8.6 m/s. Attiecīgie Vēbera skaitļi ir attiecīgi 100 un 200. Lai labāk simulētu sekundāro sadalīšanas procesu, sadalīšanas modelis izmanto Kelvina-Helmholca un Reilijas-Teilora (KHRT) modeli.

Pilns izsmidzināšanas process, ko VLES prognozēja Vēbera skaitļa 100 nosacījumā, ir parādīts 8. attēlā. Kā redzams no attēla, sākotnējā apgabalā veidojas plāna šķidruma kolonnas loksne, un pēc tam šķidruma kolonna sadalās šķidruma joslās un šķidruma pavedienos, un aerodinamiskā spēka ietekmē sadalās pilienos, un pilieni tālāk sadalās mazākos pilienos, sekundāri sadaloties. Plūsmas ātrums un virpuļvirpuļu sadalījums, ko VLES aprēķina Vēbera skaitļa 100 apstākļos, ir parādīti 9. attēlā. Kā redzams attēlā, šķidruma kolonnas aizvēja pusē ir tipiska zema ātruma recirkulācijas zona. No momentānā virpuļu sadalījuma var secināt, ka šķidruma kolonnas aizvēja pusē ir spēcīga virpuļveida struktūra, un spēcīgā turbulentā kustība maza ātruma recirkulācijas zonā veicina šķidruma kolonnas loksnes plīsumu un pilienu veidošanos.

Sākotnējā strūklas diametra attiecība pret šķidruma strūklas minimālo plūsmas izmēru, kad šķidruma kolonna sāk sadalīties ar dažādiem Vēbera skaitļiem, ir parādīta 10. attēlā. Attēlā di ir šķidruma strūklas minimālais plūsmas izmērs, kad šķidruma kolonna sāk sadalīties, un D3 ir sākotnējais šķidruma strūklas diametrs. No attēla redzams, ka VLES aprēķinu rezultāti labi saskan ar eksperimentālajiem rezultātiem, kas ir labāki par literatūrā atrodamajiem lielo virpuļu simulācijas aprēķinu rezultātiem [21].

Degšanas nestabilitāte Ļoti liela virpuļu simulācija

Lai atbilstu zemu izmešu prasībām, civilās aviācijas gaisa kuģu sadegšanas kameras parasti tiek konstruētas ar iepriekš sajauktu vai daļēji iepriekš sajauktu liesu degšanu. Tomēr liesai iepriekš sajauktai sadegšanai ir slikta stabilitāte, un tā var izraisīt termoakustiski savienotus svārstību degšanas režīmus, izraisot degšanas nestabilitāti. Degšanas nestabilitāte ir ļoti destruktīva, un to var pavadīt tādas problēmas kā uzliesmojums un cieta deformācija, kas ir ievērojama problēma, ar ko saskaras sadegšanas kameras konstrukcija.

Degšanas nestabilitātes skaitlisko aprēķinu var iedalīt divās kategorijās: atdalīšanas metode un tiešās sakabes metode. Atdalītā degšanas nestabilitātes prognozēšanas metode atdala nestabilas degšanas un akustiskos risinājumus. Lai izveidotu uzticamu liesmas apraksta funkciju, neregulārai degšanai ir nepieciešams liels skaits skaitlisku aprēķinu paraugu. Ja izmanto lielo virpuļu simulācijas aprēķina metodi, tās skaitļošanas resursu patēriņš ir pārāk liels. Tiešās sakabes aprēķināšanas metode ir balstīta uz saspiežamā šķīduma metodi, un tieši iegūst degšanas nestabilitātes rezultātu, izmantojot augstas precizitātes nestabilitātes aprēķinus, tas ir, nestabilas degšanas un akustikas savienojuma aprēķina process noteiktos darba apstākļos tiek pabeigts vienā reizē vienā un tajā pašā aprēķinu sistēmā.

Pētījumā par degšanas nestabilitātes atdalīšanas skaitlisko simulāciju Huang et al. [27] izstrādāja sadegšanas nestabilitātes aprēķina modeli, pamatojoties uz VLES metodi kopā ar sabiezošās liesmas aprēķina metodi, un panāca precīzu nepastāvīgas sadegšanas procesa prognozēšanu akustiskās ierosmes apstākļos. Aprēķina piemērs ir Kembridžas Universitātes izstrādāta stacionāra stacionāra etilēna/gaisa pilnībā sajaukta liesma ar ekvivalences attiecību 0.55 un Reinoldsa skaitli aptuveni 17000. VLES aprēķinu rezultātu salīdzinājums ar nepastāvīgas liesmas dinamisko raksturlielumu eksperimentālajiem rezultātiem akustiskās ierosmes apstākļos ir redzams attēlā, kas redzams attēlā 12. procesa laikā liesma apgriežas iekšējā un ārējā bīdes slānī un pārvēršas par pretēju rotējošu virpuļu pāri. Šajā procesā sēnes formas liesmas profila attīstība turpina attīstīties, mainoties fāzes leņķim. VLES aprēķinu rezultāti labi atveido eksperimentā novērotās liesmas evolūcijas īpašības. Siltuma izdalīšanās ātruma reakcijas amplitūdas un fāzes starpības salīdzinājums zem 160 Hz akustiskās ierosmes, kas iegūts ar dažādām aprēķinu metodēm un eksperimentāliem mērījumiem, parādīts 13. attēlā. Attēlā Q' un Q͂ ir attiecīgi pulsējošā siltuma izdalīšanās un sadegšanas vidējā siltuma izdalīšanās, A ir sinusoidālās akustiskās ierosmes amplitūda, un 13. (b) attēla ordināta ir fāzes starpība starp pārejošu siltuma izdalīšanas signālu degšanai akustiskā ierosmē un ieplūdes ātruma ierosmes signālu. Kā redzams attēlā, VLES metodes prognozēšanas precizitāte ir salīdzināma ar lielo virpuļu simulācijas precizitāti [28], un abas labi saskan ar eksperimentālajām vērtībām. Lai gan nestabilā RANS metode paredz nelineāras reakcijas tendenci, aprēķinātie kvantitatīvie rezultāti ievērojami atšķiras no eksperimentālajām vērtībām. Fāzu starpības rezultātiem (13. (b) attēls) ar VLES metodi prognozētā fāzu starpības tendence ar traucējumu amplitūdu pamatā atbilst eksperimenta rezultātiem, savukārt lielo virpuļu simulācijas rezultāti iepriekš minēto tendenci labi neparedz.