Kemajuan penyelidikan mengenai prestasi aerodinamik kebuk pembakaran enjin pesawat berdasarkan simulasi pusaran besar

Kemajuan penyelidikan mengenai prestasi aerodinamik kebuk pembakaran enjin pesawat berdasarkan simulasi pusaran besar

Kebuk pembakaran adalah salah satu komponen teras enjin pesawat, dan prestasi aerodinamik kebuk pembakaran memainkan peranan penting dalam prestasi keseluruhan enjin. Untuk memenuhi keperluan teknikal enjin yang semakin ketat untuk kebuk pembakaran, mod organisasi pembakaran dan ciri aliran di dalam kebuk pembakaran telah menjadi sangat kompleks. Proses nyahpecutan dan tekanan peresap mungkin menghadapi pemisahan aliran di bawah kecerunan tekanan buruk yang kuat; aliran udara melalui peranti pusingan berbilang peringkat untuk membentuk struktur pusaran berskala besar, yang pada satu tangan menggalakkan pengabusan dan penyejatan bahan api cecair dan membentuk campuran kuat berdenyut, tidak stabil dengan bahan api, dan sebaliknya menghasilkan nyalaan pegun dalam zon peredaran semula aerodinamik; pancutan berbilang lubang pembakaran/pencampuran utama berinteraksi dengan aliran sisi dalam tiub nyalaan untuk membentuk pasangan vorteks pusingan balas, yang mempunyai pengaruh penting pada pencampuran gelora. Berdasarkan aliran, proses fizikal dan kimia berbilang skala seperti pengabusan dan penyejatan, pencampuran, tindak balas kimia, dan interaksi antara turbulensi dan nyalaan digandingkan dengan kuat, yang secara bersama menentukan ciri aerodinamik kebuk pembakaran. Pemodelan dan pengiraan ketepatan tinggi proses fizikal dan kimia ini sentiasa menjadi topik penyelidikan hangat di dalam dan luar negara.

Proses pengabusan, penyejatan, pencampuran dan pembakaran dalam kebuk pembakaran berkembang dan berkembang dalam persekitaran aliran bergelora, jadi aliran adalah asas untuk simulasi prestasi aerodinamik kebuk pembakaran. Ciri asas pergolakan ialah parameter aliran menunjukkan denyutan rawak disebabkan oleh proses perolakan tak linear. Turbulensi mengandungi banyak struktur pusaran. Rentang vorteks yang berbeza dalam skala panjang dan masa adalah besar, dan apabila nombor Reynolds bertambah, rentang antara skala meningkat dengan mendadak. Mengikut perkadaran struktur vorteks gelora yang diselesaikan secara langsung, simulasi pergolakan kaedah dibahagikan kepada simulasi berangka terus (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), simulasi pusaran besar (LES) dan kaedah simulasi turbulensi campuran. Kaedah RANS, yang digunakan secara meluas dalam kejuruteraan, menyelesaikan medan min gelora dan menggunakan model untuk mensimulasikan semua maklumat denyutan gelora. Jumlah pengiraan adalah kecil, tetapi ketepatannya adalah lemah. Untuk putaran yang kuat dan proses aliran tidak stabil dalam kebuk pembakaran, RANS tidak dapat memenuhi keperluan reka bentuk yang diperhalusi. Pitsch menegaskan bahawa kerumitan pengiraan LES adalah antara RANS dan DNS, dan kini digunakan untuk pengiraan pembakaran bergelora dalam ruang tanpa had dengan nombor Reynolds sederhana dan rendah. Disebabkan oleh skala kecil pergolakan di kawasan berhampiran dinding kebuk pembakaran dan bilangan Reynolds aliran yang tinggi, jumlah grid yang diperlukan untuk pengiraan LES bagi satu kepala kebuk pembakaran sahaja adalah dalam ratusan juta hingga berbilion. Penggunaan sumber pengiraan yang tinggi itu mengehadkan penggunaan LES secara meluas dalam simulasi kebuk pembakaran.

Penubuhan model dan kaedah pengiraan berketepatan tinggi berdasarkan rangka kerja Kaedah Simulasi Puting Sangat Besar (VLES) dan Kaedah RANS-LES Hibrid merupakan trend penting dalam simulasi berangka. Kaedah VLES yang dibangunkan oleh Han et al. menyelesaikan masalah kecekapan pengiraan rendah yang disebabkan oleh penapisan skala grid dan menyelesaikan sekatan padanan skala pergolakan dalam LES tradisional, dan merealisasikan pemodelan gandingan antara ciri berbilang skala pergolakan, ciri evolusi sementara dan resolusi grid. , VLES menyesuaikan secara adaptif nisbah antara penyelesaian pergolakan dan pemodelan model berdasarkan ciri masa nyata evolusi struktur pusaran, dengan ketara mengurangkan kos pengiraan sambil memastikan ketepatan pengiraan.

Namun begitu, berbanding dengan LES tradisional, teori dan ciri-ciri VLES belum banyak dikaji dan digunakan. Kertas kerja ini secara sistematik memperkenalkan teori pemodelan VLES dan kesan aplikasinya dalam pelbagai senario fizikal yang berkaitan dengan kebuk pembakaran, mempromosikan aplikasi berskala besar VLES dalam bidang simulasi kebuk pembakaran enjin pesawat.

Kaedah Simulasi Eddy Besar

Pengaruh kaedah simulasi pergolakan terhadap penggunaan sumber dan model pengkomputeran ditunjukkan dalam Rajah 1. Kaedah RANS, LES dan VLES semuanya mencapai simulasi aliran melalui pemodelan pergolakan. Perlu diingatkan bahawa takrifan jelas terawal VLES telah diberikan oleh Pope, yang merujuk kepada "skala grid pengiraan terlalu kasar sehingga tenaga kinetik gelora yang diselesaikan secara langsung adalah kurang daripada 80% daripada jumlah tenaga kinetik gelora". Pada masa yang sama, maksud LES yang diberikan oleh Pope [6] ialah "grid pengiraan adalah sangat halus sehingga tenaga kinetik gelora yang diselesaikan secara langsung adalah lebih besar daripada 80% daripada jumlah tenaga kinetik gelora". Namun begitu, perlu diingatkan bahawa VLES yang diperkenalkan dalam artikel ini adalah kaedah pengiraan baharu yang telah diubah suai dan dibangunkan berdasarkan kaedah sebelumnya. Walaupun nama adalah sama, kaedah VLES baharu pada asasnya berbeza daripada kaedah VLES yang ditakrifkan oleh Pope. Seperti yang dapat dilihat daripada rajah, mod pergolakan tradisional ialah RANS, URANS, RANS/LES hibrid, LES dan DNS mengikut ketepatan pengiraan. Di bawah rangka kerja model baharu, mod pergolakan dibahagikan kepada RANS, VLES dan DNS mengikut ketepatan pengiraan. Iaitu, kaedah VLES merealisasikan penyatuan pelbagai mod pergolakan tradisional, dan model yang berbeza secara adaptif beralih dan menukar dengan lancar mengikut ciri tempatan dalam pengiraan sebenar.

Simulasi proses fizikal biasa dalam kebuk pembakaran

Simulasi Pusar Yang Sangat Besar bagi Aliran Putar Kuat

Kebuk pembakaran enjin pesawat biasanya menggunakan bentuk organisasi medan aliran seperti pusingan berbilang peringkat dan pusaran kuat. Aliran pusaran adalah bentuk aliran paling asas dalam kebuk pembakaran. Oleh kerana pusaran dominan dalam kedua-dua arah aliran dan arah tangen, denyutan gelora pusaran mempunyai anisotropi yang lebih kuat daripada aliran paip tradisional, aliran saluran dan aliran jet. Oleh itu, simulasi berangka pusaran menimbulkan cabaran besar kepada kaedah simulasi pergolakan. Xia et al. menggunakan kaedah VLES untuk mengira contoh aliran pusaran kuat klasik dalam tiub; Dellenback et al. [14] 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 tiub bulat) dan nombor pusaran ialah 1.23. Dua set grid berstruktur digunakan dalam pengiraan. Jumlah bilangan grid jarang (M1) adalah kira-kira 900,000 dan jumlah bilangan grid yang disulitkan (M2) adalah kira-kira 5.1 juta. Keputusan momen statistik yang diperoleh melalui pengiraan dibandingkan dengan keputusan eksperimen untuk mengesahkan ketepatan pengiraan kaedah VLES.

Perbandingan keputusan pengiraan kaedah yang berbeza dan keputusan percubaan taburan jejari halaju purata lilitan dan halaju berdenyut pada kedudukan hilir yang berbeza di bawah aliran pusingan kuat ditunjukkan dalam Rajah 4. Dalam rajah, koordinat mendatar dan menegak masing-masing adalah jarak tanpa dimensi dan halaju tak berdimensi, di mana D1 ialah diameter bulatan dalam halaju masuk Ulet. Seperti yang dapat dilihat daripada rajah, medan aliran menunjukkan pusaran sebatian seperti Rankin biasa yang secara beransur-ansur beralih kepada pusaran badan tegar tunggal. Membandingkan pengiraan dan keputusan eksperimen, boleh didapati bahawa kaedah VLES mempunyai ketepatan pengiraan yang tinggi untuk ramalan halaju lilitan aliran pusingan yang kuat, yang sesuai dengan taburan ukuran eksperimen. Kaedah RANS tradisional mempunyai sisihan yang sangat besar dalam pengiraan aliran pusaran dan tidak dapat meramal dengan betul evolusi spatial medan aliran pusaran dan denyutan gelora. Sebagai perbandingan, kaedah VLES mempunyai ketepatan yang sangat tinggi dalam ramalan medan halaju purata, medan halaju berdenyut dan evolusi spatial di bawah aliran pusingan kuat yang kompleks, dan masih boleh menjamin ketepatan pengiraan yang tinggi walaupun pada resolusi grid yang agak jarang. Untuk ramalan halaju purata lilitan, keputusan pengiraan kaedah VLES pada asasnya konsisten pada dua set resolusi grid jarang dan padat.

Simulasi Eddy Besar Pembakaran Bergelora

Untuk mengkaji kebolehlaksanaan kaedah VLES dalam meramalkan masalah pembakaran bergelora [15-16], model pembakaran bergelora berdasarkan kaedah VLES ditambah dengan manifold terjana flamelet (FGM) telah dibangunkan. Idea asas adalah untuk menganggap bahawa nyalaan gelora mempunyai struktur nyalaan laminar satu dimensi secara tempatan, dan permukaan nyalaan gelora ialah purata ensembel bagi satu siri permukaan nyalaan lamina. Oleh itu, ruang komponen berdimensi tinggi boleh dipetakan kepada corak aliran dimensi rendah yang terdiri daripada beberapa pembolehubah ciri (pecahan campuran, pembolehubah kemajuan tindak balas, dll.). Di bawah syarat mempertimbangkan mekanisme tindak balas terperinci, bilangan persamaan pengangkutan yang perlu diselesaikan dikurangkan dengan ketara, sekali gus mengurangkan kos pengiraan dengan ketara.

Proses pelaksanaan khusus adalah untuk membina jadual data lamina FGM berdasarkan pecahan campuran dan pembolehubah kemajuan tindak balas, pertimbangkan interaksi antara pembakaran gelora dengan mengandaikan kaedah fungsi ketumpatan kebarangkalian untuk menyepadukan jadual data lamina, dan dengan itu mendapatkan jadual data gelora. Dalam pengiraan berangka, persamaan pengangkutan pecahan campuran, pembolehubah kemajuan tindak balas dan varians yang sepadan diselesaikan, dan maklumat medan pembakaran diperoleh dengan menanyakan jadual data gelora.

Model pembakaran gelora berdasarkan VLES dan FGM digunakan untuk menjalankan pengiraan berangka pada nyalaan jet gelora metana/udara (Api D) yang diukur oleh makmal Sandia di Amerika Syarikat, dan perbandingan kuantitatif dibuat dengan data pengukuran eksperimen. Bahan bahan api contoh Sandia Flame D (nombor Reynolds ialah 22400) adalah campuran lengkap metana dan udara dengan nisbah isipadu 1:3, halaju masuk bahan api adalah kira-kira 49.9 m/s, dan halaju bangun adalah kira-kira 11.4 m/s. Nyalaan tugas ialah campuran metana dan udara yang terbakar, dan bahan bangun adalah udara tulen. Pengiraan menggunakan grid berstruktur, dan jumlah bilangan grid adalah kira-kira 1.9 juta.

Taburan pecahan jisim purata komponen berbeza di sepanjang paksi ditunjukkan dalam Rajah 5. Koordinat mendatar dan menegak dalam rajah ialah jarak tanpa dimensi (D2 ialah diameter tiub pancutan masuk) dan pecahan jisim tanpa dimensi, masing-masing. Dapat dilihat daripada rajah bahawa ramalan komponen utama proses pembakaran oleh kaedah VLES secara amnya adalah sesuai dengan keputusan eksperimen. Taburan suhu berselerak pada kedudukan hilir yang berbeza dalam ruang pecahan campuran ditunjukkan dalam Rajah 6. Ia boleh dilihat daripada rajah bahawa aliran taburan bertaburan yang diramalkan oleh kaedah VLES pada asasnya konsisten dengan keputusan eksperimen, dan hanya nilai ekstrem suhu yang dikira lebih tinggi sedikit daripada nilai eksperimen. Taburan vortik segera, suhu dan fungsi kawalan resolusi yang dikira oleh VLES ditunjukkan dalam Rajah 7, di mana garis pepejal diambil sebagai Zst=0.351. Ia boleh dilihat daripada rajah bahawa kawasan jet teras mempamerkan denyutan gelora yang kuat, dan apabila medan aliran berkembang di hilir, skala struktur pusaran meningkat secara beransur-ansur. Seperti yang dapat dilihat daripada Rajah 7 (b) dan (c), dalam kebanyakan kawasan tindak balas kimia, fungsi kawalan resolusi adalah antara 0 dan 1, menunjukkan bahawa resolusi grid tempatan boleh menangkap pergolakan berskala besar dan hanya mensimulasikan pergolakan berskala kecil melalui model. Pada masa ini, VLES berkelakuan sebagai anggaran mod penyelesaian simulasi pusaran besar. Dalam lapisan ricih jet dan pinggir luar nyalaan hiliran, fungsi kawalan resolusi adalah hampir 1, menunjukkan bahawa skala penapis terpotong bagi grid pengiraan adalah lebih besar daripada skala pergolakan tempatan. Pada masa ini, VLES berkelakuan sebagai mod penyelesaian purata Reynolds yang tidak stabil. Secara ringkasnya, dapat dilihat bahawa kaedah VLES dapat merealisasikan transformasi pelbagai mod penyelesaian pergolakan mengikut ciri masa nyata evolusi struktur pusaran, dan boleh meramalkan proses pembakaran tidak stabil dengan tepat dalam nyalaan gelora.

Simulasi pusaran besar bagi proses pengabusan lengkap

Kebanyakan bahan api yang digunakan dalam kebuk pembakaran enjin pesawat adalah bahan api cecair. Bahan api cecair memasuki kebuk pembakaran dan menjalani proses pengabusan primer dan pengabusan sekunder. Terdapat banyak kesukaran dalam mensimulasikan proses pengatoman lengkap bahan api cecair, termasuk penangkapan konfigurasi antara muka topologi dua fasa gas-cecair, ubah bentuk dan pecah lajur cecair, evolusi pecahan jalur cecair dan filamen cecair menjadi titisan, dan interaksi antara aliran turbulen dan titisan. Huang Ziwei [19] membangunkan model simulasi proses pengabusan lengkap berdasarkan kaedah VLES ditambah dengan kaedah pengiraan pengabusan hibrid VOFDPM, merealisasikan simulasi berangka proses penuh pengatoman bahan api daripada cecair berterusan kepada titisan diskret.

Model simulasi proses pengabusan yang baru dibangunkan digunakan untuk menjalankan pengiraan berangka berketepatan tinggi bagi proses pengabusan lajur cecair aliran sisi klasik, dan perbandingan terperinci dibuat dengan keputusan eksperimen dalam literatur terbuka [20] dan hasil pengiraan simulasi pusaran besar [21]. Dalam contoh pengiraan, fasa gas ialah udara dengan halaju 77.89 dan 110.0 m/s, masing-masing, dan fasa cecair ialah air cecair dengan halaju 8.6 m/s. Nombor Weber yang sepadan ialah 100 dan 200, masing-masing. Untuk mensimulasikan proses pemisahan sekunder dengan lebih baik, model pemisahan menggunakan model Kelvin-Helmholtz dan Rayleigh-Taylor (KHRT).

Proses pengabusan lengkap yang diramalkan oleh VLES di bawah keadaan nombor Weber 100 ditunjukkan dalam Rajah 8. Seperti yang dapat dilihat dari rajah, kepingan nipis lajur cecair terbentuk di kawasan awal, dan kemudian lajur cecair pecah menjadi jalur cecair dan filamen cecair, dan pecah menjadi titisan di bawah tindakan daya aerodinamik, dan titisan dipecahkan lagi melalui titisan sekunder. Halaju aliran dan taburan pusaran spanwise yang dikira oleh VLES di bawah keadaan nombor Weber 100 ditunjukkan dalam Rajah 9. Seperti yang dapat dilihat daripada rajah, terdapat zon peredaran semula berkelajuan rendah biasa pada bahagian bawah angin lajur cecair. Ia boleh didapati daripada taburan vorteks serta-merta bahawa bahagian bawah angin lajur cecair mempamerkan struktur pusaran yang kuat, dan gerakan gelora yang kuat dalam zon peredaran semula berkelajuan rendah menyumbang kepada pecahnya kepingan lajur cecair dan pembentukan titisan.

Nisbah diameter pancutan awal kepada dimensi aliran minimum pancutan cecair apabila lajur cecair mula pecah di bawah nombor Weber yang berbeza ditunjukkan dalam Rajah 10. Dalam rajah, di ialah dimensi aliran minimum pancutan cecair apabila lajur cecair mula pecah, dan D3 ialah diameter pancutan cecair awal. Ia boleh dilihat daripada rajah bahawa keputusan pengiraan VLES adalah dalam persetujuan yang baik dengan keputusan eksperimen, yang lebih baik daripada hasil pengiraan simulasi pusaran besar dalam literatur [21].

Ketidakstabilan Pembakaran Simulasi Pusar Sangat Besar

Untuk memenuhi keperluan pelepasan rendah, kebuk pembakaran pesawat awam biasanya direka bentuk dengan pembakaran tanpa campuran pracampur atau separa pracampur. Walau bagaimanapun, pembakaran pracampuran tanpa lemak mempunyai kestabilan yang lemah dan cenderung untuk merangsang mod pembakaran ayunan berganding termoakustik, yang membawa kepada ketidakstabilan pembakaran. Ketidakstabilan pembakaran sangat merosakkan dan mungkin disertai dengan masalah seperti kilas balik dan ubah bentuk pepejal, yang merupakan masalah utama yang dihadapi oleh reka bentuk kebuk pembakaran.

Pengiraan berangka ketidakstabilan pembakaran boleh dibahagikan kepada dua kategori: kaedah decoupling dan kaedah gandingan langsung. Kaedah ramalan ketidakstabilan pembakaran yang dipisahkan menyahgandingkan penyelesaian pembakaran tidak mantap dan akustik. Pembakaran tidak mantap memerlukan sejumlah besar sampel pengiraan berangka untuk membina fungsi penerangan nyalaan yang boleh dipercayai. Jika kaedah pengiraan simulasi pusaran besar digunakan, penggunaan sumber pengkomputeran adalah terlalu besar. Kaedah pengiraan gandingan langsung adalah berdasarkan kaedah penyelesaian boleh mampat, dan secara langsung memperoleh hasil ketidakstabilan pembakaran melalui pengiraan tidak mantap berketepatan tinggi, iaitu, proses pengiraan gandingan pembakaran tidak mantap dan akustik di bawah keadaan kerja yang diberikan selesai pada satu masa dalam rangka kerja pengiraan yang sama.

Dalam kajian simulasi berangka penyahgandingan ketidakstabilan pembakaran, Huang et al. [27] membangunkan model pengiraan ketidakstabilan pembakaran berdasarkan kaedah VLES ditambah dengan kaedah pengiraan nyalaan penebalan, dan mencapai ramalan yang tepat bagi proses pembakaran tidak mantap di bawah pengujaan akustik. Contoh pengiraan ialah nyalaan pracampuran penuh etilena/udara pegun badan tumpul yang dibangunkan oleh Universiti Cambridge, dengan nisbah kesetaraan 0.55 dan nombor Reynolds kira-kira 17000. Perbandingan antara keputusan pengiraan VLES dan keputusan eksperimen ciri dinamik nyalaan tidak mantap di bawah pengujaan akustik ditunjukkan dalam Rajah 12 yang ditunjukkan dalam Rajah. proses, nyalaan bergolek pada lapisan ricih dalam dan luar dan berkembang menjadi pasangan vorteks berputar balas. Dalam proses ini, evolusi profil nyalaan berbentuk cendawan terus berkembang dengan perubahan sudut fasa. Keputusan pengiraan VLES menghasilkan semula ciri evolusi nyalaan yang diperhatikan dalam eksperimen. Perbandingan amplitud dan perbezaan fasa bagi tindak balas kadar pelepasan haba di bawah pengujaan akustik 160 Hz yang diperoleh dengan kaedah pengiraan dan pengukuran eksperimen yang berbeza ditunjukkan dalam Rajah 13. Dalam rajah, Q' dan Q͂ ialah pelepasan haba berdenyut dan pelepasan haba purata pembakaran, A ialah amplitud pengujaan akustik sinusoidal, dan ordinat Rajah 13 (b) ialah perbezaan fasa antara isyarat pelepasan haba sementara pembakaran di bawah pengujaan akustik dan isyarat pengujaan halaju masuk. Seperti yang dapat dilihat daripada rajah, ketepatan ramalan kaedah VLES adalah setanding dengan ketepatan simulasi pusaran besar [28], dan kedua-duanya adalah dalam persetujuan yang baik dengan nilai eksperimen. Walaupun kaedah RANS yang tidak mantap meramalkan arah aliran tindak balas tak linear, hasil kuantitatif yang dikira menyimpang jauh daripada nilai eksperimen. Bagi keputusan perbezaan fasa (Rajah 13 (b)), arah aliran perbezaan fasa yang diramalkan oleh kaedah VLES dengan amplitud gangguan pada asasnya adalah konsisten dengan keputusan eksperimen, manakala keputusan simulasi pusaran besar tidak meramalkan arah aliran di atas dengan baik.