Kemajuan penyelidikan pada prestasi aerodinamik kamar pembakaran enjin pesawat berdasarkan simulasi eddy besar

Kemajuan penyelidikan pada prestasi aerodinamik kamar pembakaran enjin pesawat berdasarkan simulasi eddy besar

Bilik pembakaran adalah salah satu komponen utama enjin pesawat, dan prestasi aerodinamik bilik pembakaran memainkan peranan penting dalam prestasi keseluruhan enjin. Untuk memenuhi keperluan teknikal yang semakin ketat oleh enjin untuk bilik pembakaran, mod pengorganisasian pembakaran dan ciri aliran di dalam bilik pembakaran telah menjadi sangat kompleks. Proses perlambatan dan pengepakan difuser mungkin menghadapi pemisahan aliran di bawah gradien tekanan buruk yang kuat; aliran udara melalui peranti kitaran pelbagai tahap untuk membentuk struktur putaran skala besar, yang pada satu pihak mempromosikan pengatomian dan penguapan bahan api cecair dan membentuk campuran yang berdenyut kuat dan tidak stabil dengan bahan api, dan pada pihak lain menghasilkan api statik di zon sirkulasi aerodinamik; jet-jet pelbagai dari lubang pembakaran/campuran utama berinteraksi dengan aliran lateral dalam tiub api untuk membentuk pasangan putaran berlawanan arah, yang mempunyai pengaruh penting terhadap pencampuran turbulen. Berdasarkan aliran ini, proses fizik dan kimia multi-skala seperti pengatomian dan penguapan, pencampuran, tindak balas kimia, dan interaksi antara turbulen dan api saling berkaitan erat, yang secara bersama-sama menentukan ciri-ciri aerodinamik bilik pembakaran. Pemodelan dan pengiraan tepat bagi proses-proses fizik dan kimia ini sentiasa menjadi topik penyelidikan panas di dalam dan luar negara.

Proses pemisahan, penguapan, pencampuran dan pembakaran dalam bilik pembakaran berkembang dan berevolusi dalam situasi aliran yang bergolak, jadi aliran adalah asas kepada penjanaan prestasi aerodinamik bagi bilik pembakaran. Ciri asas kebergolakan ialah parameter-parameter aliran menunjukkan pulsaan rawak disebabkan oleh proses konveksi tak linear. Kebergolakan mengandungi banyak struktur whirpool. Jarak antara pelbagai whirpool dalam skala panjang dan masa adalah besar, dan apabila nombor Reynolds meningkat, jarak antara skala-skala tersebut meningkat secara tajam. Berdasarkan kepada nisbah struktur whirpool kebergolakan yang diselesaikan secara langsung, simulasi kebergolakan  kaedah dibahagikan kepada simulasi berangka terus (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), simulasi eddy besar (LES) dan kaedah simulasi turbulensi bercampur. Kaedah RANS, yang meluas digunakan dalam kejuruteraan, menyelesaikan medan purata turbulen dan menggunakan model untuk mensimulasikan semua maklumat getaran turbulen. Kuantiti pengiraan adalah kecil, tetapi ketepatannya buruk. Untuk proses aliran berputar kuat dan tidak stabil dalam bilik pembakaran, RANS tidak dapat memenuhi keperluan reka bentuk terperinci. Pitsch menunjukkan bahawa kerumitan pengiraan LES adalah di antara RANS dan DNS, dan kini digunakan untuk pengiraan pembakaran turbulen dalam ruang tanpa had dengan nombor Reynolds sederhana dan rendah. Disebabkan skala kecil turbulen di kawasan hampir-dinding bilik pembakaran dan nombor Reynolds tinggi aliran tersebut, jumlah grid yang diperlukan untuk pengiraan LES bagi satu kepala bilik pembakaran sahaja adalah ratusan juta hingga bilion. Penggunaan sumber komputasi yang begitu tinggi ini menyekat penggunaan meluas LES dalam simulasi bilik pembakaran.

Pembentukan model dan kaedah pengiraan berkejituan tinggi berdasarkan rangka kerja Very Large Eddy Simulation (VLES) dan Hybrid RANS-LES Method merupakan trend penting dalam simulasi berangka. Kaedah VLES yang dibangunkan oleh Han et al. menyelesaikan masalah kecekapan pengiraan yang rendah disebabkan oleh penapisan skala grid dan penyelesaian pertandingan skala turbulensi dalam LES tradisional, serta mencapai pemodelan kawin antara ciri-ciri multi-skala turbulensi, ciri-ciri evolusi sementara, dan resolusi grid. VLES secara adaptif menyelaraskan nisbah di antara penyelesaian turbulensi dan pemodelan berdasarkan ciri-ciri sebenar evolusi struktur gergaji, dengan itu mengurangkan kos pengiraan secara signifikan sambil memastikan kejituan pengiraan.

Bagaimanapun, dibandingkan dengan LES tradisional, teori dan ciri-ciri VLES belum banyak dikaji dan digunakan. Kertas ini secara sistematik memperkenalkan teori pemodelan VLES dan kesan aplikasinya dalam pelbagai situasi fizik yang berkaitan dengan kamar pembakaran, mendorong penggunaan besar skala VLES dalam bidang simulasi kamar pembakaran enjin pesawat.

Kaedah Simulasi Gelombang Besar

Pengaruh kaedah simulasi turbulensi terhadap penggunaan sumber kira-kira dan model ditunjukkan dalam Rajah 1. Kaedah RANS, LES dan VLES semua mencapai simulasi aliran melalui pemodelan turbulensi. Perlu diperhatikan bahawa definisi jelas pertama VLES diberikan oleh Pope, yang merujuk kepada "skala grid komputasi adalah terlalu kasar sehingga tenaga kinetik turbulen yang diselesaikan secara langsung kurang daripada 80% daripada jumlah tenaga kinetik turbulen". Pada masa yang sama, makna LES yang diberikan oleh Pope [6] adalah "grid komputasi sangat halus sehingga tenaga kinetik turbulen yang diselesaikan secara langsung lebih besar daripada 80% daripada jumlah tenaga kinetik turbulen". Walau bagaimanapun, perlu diperhatikan bahawa VLES yang diperkenalkan dalam artikel ini adalah satu kaedah pengiraan baru yang telah dimodelkan semula dan dikembangkan berdasarkan kepada kaedah sebelumnya. Walaupun nama-namanya sama, kaedah VLES baru ini pada dasarnya berbeza daripada kaedah VLES yang ditakrifkan oleh Pope. Seperti yang boleh dilihat dari rajah, mod turblansi tradisional adalah RANS, URANS, hibrid RANS/LES, LES, dan DNS mengikut ketepatan pengiraan. Dalam kerangka model baru, mod turbulensi dibahagikan kepada RANS, VLES, dan DNS mengikut ketepatan pengiraan. Ini bermaksud, kaedah VLES mencapai penyatuan pelbagai mod turbulensi tradisional, dan model-model yang berbeza berpindah dan bertukar dengan lancar secara adaptif mengikut ciri-ciri setempat dalam pengiraan sebenar.

Penjanaan proses fizik tipikal dalam bilik pembakaran

Penjanaan Eddy Sangat Besar bagi Aliran Berputar Kuat

Bilik pembakaran enjin kapal terbang biasanya mengguna pakai bentuk organisasi medan aliran seperti putaran pelbagai peringkat dan putaran kuat. Aliran berputar adalah bentuk aliran asas dalam bilik pembakaran. Oleh kerana putaran mendominasi baik dalam arah aliran mahupun arah tangensial, gelombang turbulen putaran mempunyai anisotropi yang lebih kuat berbanding aliran paip tradisional, aliran saluran dan aliran jet. Oleh itu, penjanaan berangka bagi aliran putaran membawa cabaran besar kepada kaedah penjanaan turbulen. Xia et al. menggunakan kaedah VLES untuk mengira contoh aliran putaran kuat klasik dalam paip; Dellenback et al. [14] telah menjalankan eksperimen medan aliran pada contoh ini dan mempunyai data eksperimen terperinci. Nombor Reynolds aliran bagi contoh yang dikira ialah 1.0 × 105 (berdasarkan diameter paip bulat) dan nombor swirl ialah 1.23. Dua set grid struktur digunakan dalam pengiraan. Jumlah keseluruhan grid jarang (M1) adalah lebih kurang 900,000 dan jumlah keseluruhan grid terenkripsi (M2) adalah lebih kurang 5.1 juta. Keputusan momen statistik yang diperoleh melalui pengiraan diperingkatkan lagi dengan keputusan eksperimen untuk mengesahkan kejituan pengiraan kaedah VLES.

Perbandingan hasil kira menggunakan kaedah yang berbeza dengan hasil eksperimen bagi taburan radius purata kelajuan lilitan dan kelajuan berdenyut pada kedudukan hilir yang berbeza di bawah aliran memutar kuat ditunjukkan dalam Rajah 4. Dalam rajah tersebut, paksi mengufuk dan mencancang adalah jarak tanpa dimensi dan kelajuan tanpa dimensi masing-masing, di mana D1 adalah diameter paip bulat masuk dan Uin adalah purata kelajuan masuk. Dari rajah itu boleh dilihat bahawa medan aliran menunjukkan suatu putaran ganda Rankin-taklik secara bertahap menuju kepada satu putaran badan pepejal tunggal. Dengan membandingkan hasil kira dan eksperimen, dapat didapati bahawa kaedah VLES mempunyai kejituan kiraan yang tinggi untuk meramalkan kelajuan lilitan bagi aliran memutar kuat, yang sepakat baik dengan taburan pengukuran eksperimen. Kaedah RANS tradisional mempunyai sisihan yang sangat besar dalam pengiraan aliran memutar dan tidak dapat meramalkan evolusi ruang medan aliran memutar dan denyutan turbulen dengan betul. Sebaliknya, kaedah VLES mempunyai kejituan yang sangat tinggi dalam meramalkan medan kelajuan purata, medan kelajuan berdenyut, dan evolusi ruang di bawah aliran memutar kuat yang kompleks, dan masih boleh menjamin kejituan kiraan yang tinggi walaupun pada resolusi grid yang agak longgar. Untuk ramalan purata kelajuan lilitan, hasil kiraan kaedah VLES adalah hampir sama pada dua set resolusi grid yang longgar dan rapat.

Simulasi Eddy Besar bagi Pembakaran Turbulen

Untuk mengkaji kelayakan kaedah VLES dalam meramalkan masalah pembakaran turbulen [15-16], satu model pembakaran turbulen berdasarkan kaedah VLES yang digabungkan dengan pelitupan api yang dijana (FGM) telah dibangunkan. Idea asasnya adalah untuk berasumsi bahawa api turbulen mempunyai struktur api lapisan satu dimensi secara setempat, dan permukaan api turbulen adalah purata keseluruhan siri permukaan api lapisan. Oleh itu, ruang komponen berdimensi tinggi boleh dipetakan kepada corak aliran berdimensi rendah yang terdiri daripada beberapa pemboleh ubah ciri (pecahan campuran, pemboleh ubah kemajuan tindak balas, dll.). Dalam keadaan mengambil kira mekanisme tindak balas terperincikan, bilangan persamaan pengangkutan yang perlu diselesaikan dikurangkan secara ketara, dengan itu secara signifikan mengurangkan kos pengiraan.

Proses pelaksanaan spesifik adalah untuk membina jadual data lapisan FGM berdasarkan pecahan campuran dan pemboleh ubah kemajuan tindak balas, mengambil kira interaksi antara pembakaran turbulen dengan mengandaikan kaedah fungsi ketumpatan kebarangkalian untuk mengintegrasikan jadual data lapisan, dan dengan itu memperoleh jadual data turbulen. Dalam pengiraan berangka, persamaan pengangkutan bagi pecahan campuran, pemboleh ubah kemajuan tindak balas dan varians yang sepadan diselesaikan, dan maklumat medan pembakaran diperoleh dengan menyemak jadual data turbulen.

Model pembakaran turbulen yang berdasarkan VLES dan FGM telah digunakan untuk menjalankan kiraan berangka pada nyalaan jet turbulen methane/udara (Flame D) yang diukur oleh makmal Sandia di Amerika Syarikat, dan perbandingan kuantitatif telah dibuat dengan data pengukuran eksperimen. Bahan bahan api dalam contoh Sandia Flame D (nombor Reynolds ialah 22400) adalah campuran lengkap methane dan udara dengan nisbah isipadu 1:3, kelajuan masukan bahan api adalah sekitar 49.9 m/s, dan kelajuan bayangan adalah sekitar 11.4 m/s. Nyalaan tugas adalah campuran methane terbakar dan udara, dan bahan bayangan adalah udara tulen. Pengiraan menggunakan grid tersusun, dan jumlah keseluruhan grid adalah sekitar 1.9 juta.

Pembahagian pecahan jisim purata komponen yang berbeza sepanjang paksi ditunjukkan dalam Rajah 5. Koordinat mengufuk dan menegak dalam rajah itu adalah jarak tanpa dimensi (D2 adalah diameter paip jet masukan) dan pecahan jisim tanpa dimensi masing-masing. Dapat dilihat dari rajah bahawa ramalan komponen utama proses pembakaran oleh kaedah VLES secara amnya sepadan dengan hasil eksperimen. Taburan suhu tersebar pada kedudukan hulu aliran yang berbeza dalam ruang pecahan campuran ditunjukkan dalam Rajah 6. Dapat dilihat dari rajah bahawa trend taburan tersebar yang diramalkan oleh kaedah VLES secara asasnya konsisten dengan hasil eksperimen, dan hanya nilai ekstrem suhu yang dikira sedikit lebih tinggi daripada nilai eksperimen. Pembahagian vortisiti sesaat, suhu, dan fungsi kawalan resolusi yang dihitung oleh VLES ditunjukkan dalam Rajah 7, di mana garisan padu diambil sebagai Zst=0.351. Dapat dilihat dari rajah bahawa kawasan inti jet mempamerkan pulsaan turbulen yang kuat, dan semakin berkembang ke bawah aliran medan aliran, skala struktur vorteks bertambah secara beransur-ansur. Seperti yang boleh dilihat dari Rajah 7 (b) dan (c), dalam kebanyakan kawasan tindak balas kimia, fungsi kawalan resolusi adalah antara 0 dan 1, menunjukkan bahawa resolusi grid setempat dapat menangkap turbulen berskala besar dan hanya mensimulasikan turbulen berskala kecil melalui model. Pada masa ini, VLES bertindak sebagai mod penyelesaian simulasi eddy besar hampir. Dalam lapisan guntingan jet dan tepi luar api hilir, fungsi kawalan resolusi hampir kepada 1, menunjukkan bahawa skala penyaring terpotong grid pengiraan adalah lebih besar daripada skala turbulen setempat. Pada masa ini, VLES bertindak sebagai mod penyelesaian rata-rata Reynolds tidak stabil. Secara keseluruhan, dapat dilihat bahawa kaedah VLES dapat mencapai transformasi pelbagai mod penyelesaian turbulen mengikut ciri-ciri real-time evolusi struktur vorteks, dan dapat meramalkan dengan tepat proses pembakaran tidak stabil dalam nyalaan turbulen.

Simulasi eddy besar bagi keseluruhan proses pemecahan atom

Kebanyakan bahan api yang digunakan dalam kamar pembakaran enjin kapal terbang adalah bahan api cecair. Bahan api cecair memasuki kamar pembakaran dan mengalami proses pemecahan atom peringkat pertama dan kedua. Terdapat banyak cabaran dalam menyimulasikan keseluruhan proses pemecahan atom bahan api cecair, termasuk penangkapan konfigurasi antara muka topologi dua fasa gas-cecair, deformasi dan patahan lajur cecair, evolusi pecahannya pada larutan cecair dan serat-serat cecair kepada titisan, serta interaksi antara aliran turbulen dengan titisan. Huang Ziwei [19] telah mengembangkan model simulasi proses pemecahan atom lengkap berdasarkan kaedah VLES yang dikaitkan dengan kaedah pengiraan hibrid VOFDPM, mencapai simulasi berangka sepenuhnya bagi proses pemecahan atom bahan api dari cecair selanjar kepada titisan terasing.

Model simulasi proses pengepulan yang baru dikembangkan digunakan untuk melaksanakan kira-kira berangka dengan ketepatan tinggi bagi proses pengepulan kolom cecair aliran sisi klasik, dan perbandingan terperinci telah dibuat dengan keputusan eksperimen dalam literatur terbuka [20] dan keputusan pengiraan simulasi eddy besar [21]. Dalam contoh pengiraan, fasa gas adalah udara dengan kelajuan masing-masing 77.89 dan 110.0 m/s, dan fasa cecair adalah air cecair dengan kelajuan 8.6 m/s. Nombor Weber yang sepadan adalah 100 dan 200 masing-masing. Untuk menyimulasikan proses pemecahan sekunder dengan lebih baik, model pemecahan menggunakan model Kelvin-Helmholtz dan Rayleigh-Taylor (KHRT).

Proses penuh pengatoman yang diprediksi oleh VLES di bawah keadaan nombor Weber 100 ditunjukkan dalam Rajah 8. Dari rajah tersebut, boleh dilihat bahawa satu lembaran cecair terbentuk di kawasan awal, kemudian kolom cecair itu pecah menjadi jalur cecair dan benang cecair, dan akhirnya terpecah kepada titisan di bawah tindakan daya aerodinamik, dan titisan-titisan itu lagi terpecah kepada titisan yang lebih kecil melalui pemecahan sekunder. Halaju aliran dan taburan vortisiti merentas yang dikira oleh VLES di bawah keadaan nombor Weber 100 ditunjukkan dalam Rajah 9. Dari rajah tersebut, boleh dilihat bahawa terdapat satu zon pengecamaran laju rendah yang tipikal pada pihak hembusan kolom cecair. Dapat diperhatikan dari taburan vortisiti seketika bahawa pihak hembusan kolom cecair menunjukkan struktur putaran yang kuat, dan pergerakan turbulen yang kuat dalam zon pengecamaran laju rendah membantu kepada pecahannya lembaran kolom cecair dan pembentukan titisan.

Nisbah diameter jet awal kepada dimensi aliran minimum jet cecair apabila kolom cecair mula terpecah di bawah nombor Weber yang berbeza ditunjukkan dalam Rajah 10. Dalam rajah tersebut, di adalah dimensi aliran minimum jet cecair apabila kolom cecair mula terpecah, dan D3 adalah diameter jet cecair awal. Dapat dilihat dari rajah bahawa keputusan pengiraan VLES sepadan dengan baik dengan keputusan eksperimen, yang lebih baik daripada keputusan pengiraan simulasi eddy besar dalam literatur [21].

Ketidakstabilan Pembakaran Simulasi Sangat Besar Eddy

Untuk memenuhi keperluan emisi rendah, kamar pembakaran pesawat awam biasanya direka dengan pembakaran prercampur atau separa prercampur yang kurang rapat. Walau bagaimanapun, pembakaran prercampur yang kurang rapat mempunyai kestabilan yang buruk dan cenderung menggalakkan mod pembakaran osilasi yang berkaitan termaakustik, yang menyebabkan ketidakstabilan pembakaran. Ketidakstabilan pembakaran adalah sangat merosakkan dan mungkin disertai dengan masalah seperti flashback dan pemboleh ubah pepejal, yang merupakan satu masalah ketara yang dihadapi oleh rekabentuk kamar pembakaran.

Pengiraan berangka bagi ketidakstabilan pembakaran boleh dibahagikan kepada dua kategori: kaedah decoupling dan kaedah couplng terus. Kaedah ramalan ketidakstabilan pembakaran yang decoupled memisahkan penyelesaian pembakaran tidak mantap dan akustik. Pembakaran tidak mantap memerlukan banyak sampel pengiraan berangka untuk membina fungsi penerangan api yang boleh dipercayai. Jika kaedah pengiraan simulasi eddy besar digunakan, penggunaan sumber komputer adalah terlalu besar. Kaedah pengiraan couplng terus adalah berasaskan kaedah penyelesaian terpampat, dan mendapat hasil ketidakstabilan pembakaran melalui pengiraan tidak mantap dengan kejituan tinggi secara langsung, iaitu proses pengiraan couplng antara pembakaran tidak mantap dan akustik di bawah keadaan kerja tertentu diselesaikan satu kali dalam kerangka pengiraan yang sama.

Dalam kajian simulasi berangka tentang penguraian ketidakstabilan pembakaran, Huang et al. [27] telah mengembangkan model pengiraan ketidakstabilan pembakaran yang berasaskan kepada kaedah VLES yang digabungkan dengan kaedah pengiraan api diperlebar, dan mencapai ramalan tepat proses pembakaran tidak stabil di bawah pemberangsangan bunyi. Contoh pengiraan adalah api statik etilen/udara sepenuhnya tercampur yang dikembangkan oleh Universiti Cambridge, dengan nisbah keseimbangan 0.55 dan nombor Reynolds lebih kurang 17000. Perbandingan antara hasil pengiraan VLES dan hasil eksperimen ciri dinamik api tidak stabil di bawah pemberangsangan bunyi ditunjukkan dalam Rajah 12. Dapat dilihat dari rajah bahawa semasa proses pemberangsangan masukan, api bergelung pada lapisan guntingan dalaman dan luaran dan berevolusi menjadi pasangan vorteks berputar bertentangan. Dalam proses ini, evolusi profil api bentuk cendawan terus berkembang bersama-sama perubahan sudut fasa. Hasil pengiraan VLES dengan baik mereplikasi ciri evolusi api yang diperhatikan dalam eksperimen. Perbandingan amplitud dan beza fasa tindak balas kadar pelepasan haba di bawah pemberangsangan bunyi 160 Hz yang diperolehi oleh pelbagai kaedah pengiraan dan pengukuran eksperimen ditunjukkan dalam Rajah 13. Dalam rajah, Q' dan Q ͂ adalah pembebasan haba berdenyut dan pembebasan haba purata semasa pembakaran, masing-masing, A adalah amplitud penggejutan akustik sinusoid, dan paksi mencancang Rajah 13 (b) adalah perbezaan fasa antara isyarat pembebasan haba sementara pembakaran di bawah penggejutan akustik dan isyarat penggejutan kelajuan masukan. Seperti yang boleh dilihat dari rajah, kejituan ramalan kaedah VLES adalah sebanding dengan kejituan simulasi eddy besar [28], dan kedua-duanya sepakat baik dengan nilai-nilai eksperimen. Walaupun kaedah RANS tidak stabil meramalkan trend respons tak linear, hasil kuantitatif yang dikira menyimpang jauh daripada nilai-nilai eksperimen. Untuk hasil perbezaan fasa (Rajah 13 (b)), trend perbezaan fasa yang diramalkan oleh kaedah VLES dengan amplitud gangguan adalah secara asas konsisten dengan hasil eksperimen, manakala hasil simulasi eddy besar tidak meramalkan trend tersebut dengan baik.