Onderzoeksvoortgang naar de aerodynamische prestaties van de brandstofkamer van een vliegtuigmotor op basis van large eddy simulatie

Onderzoeksvoortgang naar de aerodynamische prestaties van de brandstofkamer van een vliegtuigmotor op basis van large eddy simulatie

De brandkamer is een van de kernonderdelen van een vliegtuigmotor, en de aerodynamische prestaties van de brandkamer spelen een cruciale rol in de prestaties van de hele motor. Om aan de steeds strengere technische eisen van de motor voor de brandkamer te voldoen, zijn de verbrandingsorganisatiemodus en de stroomkenmerken binnen de brandkamer zeer complex geworden. Het proces van afremming en verdichting van de diffusor kan onder een sterke ongunstige drukgradiënt met stromingsseparatie te maken krijgen; de luchtstroom passeert door een meervoudig swirl-apparaat om een grote schaalwervelstructuur te vormen, wat enerzijds de vertering en verdamping van het vloeibare brandstof bevordert en een sterk pulserende, onstabiele menging met het brandstof creëert, en anderzijds een stationaire vlam in de aerodynamische recirculatiezone genereert; de meervoudige stralen van het hoofdverbrandings-/menggat interacteren met de laterale stroom in de vlamraket om een tegendraaiend wervelpaar te vormen, wat een belangrijke invloed heeft op turbulent menging. Op basis van de stroom zijn multi-schaal fysische en chemische processen zoals vertering en verdamping, menging, chemische reactie en interactie tussen turbulentie en vlam sterk gekoppeld, wat samen de aerodynamische kenmerken van de brandkamer bepalen. De hoge precisie modellering en berekening van deze fysische en chemische processen zijn altijd een actueel onderzoeksonderwerp binnen- en buitenland.

De processen van verdampering, verdamping, menging en verbranding in de brandstofkamer ontwikkelen en evolueren in een omgeving met turbulent stromingsverkeer, zodat stroming de basis vormt voor de simulatie van de aerodynamische prestaties van de brandstofkamer. Een basiskenmerk van turbulentie is dat de stroomparameters willekeurige pulsaties tonen door het niet-lineaire convectieproces. Turbulentie bevat veel wentelstructuren. De verschillen in lengte- en tijdschaal tussen de verschillende wentels zijn enorm, en naarmate het Reynoldsgetal toeneemt, neemt het verschil tussen de schalen scherp toe. Op basis van het percentage van turbulente wentelstructuren dat rechtstreeks wordt opgelost, wordt de turbulentiesimulatie uitgevoerd.  methoden worden onderverdeeld in directe numerieke simulatie (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), large eddy simulatie (LES) en gemengde turbulentiestimulatiemethoden. De RANS-methode, die breed wordt toegepast in de techniek, lost het turbulente gemiddelde veld op en gebruikt een model om alle turbulente pulsatie-informatie te simuleren. De berekeningslast is klein, maar de nauwkeurigheid is slecht. Voor sterke draaistromingen en onstabiele stromingsprocessen in de brandkamer kan RANS de eisen voor gedetailleerd ontwerp niet voldoen. Pitsch wees erop dat de rekencomplexiteit van LES tussen RANS en DNS ligt en momenteel wordt gebruikt voor turbulentiebrandingsberekeningen in onbeperkte ruimten met medium- en lagere Reynoldsgetallen. Vanwege de kleine schaal van de turbulentie in het wandgebied van de brandkamer en het hoge Reynoldsgetal van de stroom, bedraagt het aantal roosters dat nodig is voor de LES-berekening van alleen één kop van de brandkamer honderden miljoenen tot miljarden. Dit hoge verbruik aan rekenbronnen beperkt de algemene toepassing van LES in brandkamersimulaties.

De oprichting van hoognauwkeurige berekeningsmodellen en -methoden op basis van de Very Large Eddy Simulation (VLES) en Hybrid RANS-LES Method frameworks is een belangrijke trend in numerieke simulatie. De VLES-methode, ontwikkeld door Han et al., lost het probleem op van lage berekenings-efficiëntie dat wordt veroorzaakt door filtergrid-schaal en turbulentiestructuur-schaalovereenkomstrestricties in traditionele LES, en realiseert koppelingsmodellering tussen turbulentie multi-schaalkarakteristieken, transientevolutiekenmerken en gridresolutie. VLES past adaptief het verhoudingsgetal aan tussen turbulentieoplossing en modellering gebaseerd op de real-timekenmerken van de wervelstructuurevolutie, wat significante reductie van de berekeningskosten oplevert terwijl de berekeningsnauwkeurigheid wordt gegarandeerd.

Desalniettemin, in vergelijking met traditionele LES zijn de theorie en kenmerken van VLES nog niet breed bestudeerd of toegepast. In dit artikel wordt systeematisch de modelleringsmethode van VLES ingevoerd, evenals de toepassingsresultaten in verschillende fysische scenario's gerelateerd aan verbrandingskamers, wat de uitgebreide toepassing van VLES in het gebied van vliegtuigmotorverbrandingskamer simulatie stimuleert.

Large Eddy Simulatiemethode

De invloed van turbulentiesimulatiemethoden op de verbruiking van rekenbronnen en modellen wordt weergegeven in Figuur 1. RANS, LES en VLES methoden realiseren allemaal stromingsimulatie door middel van turbulentiemodellering. Het moet worden opgemerkt dat de vroegste duidelijke definitie van VLES werd gegeven door Pope, wat verwijst naar "de berekeningsgrid is te grof zodat het direct opgeloste turbulente kinetische energie minder dan 80% is van de totale turbulente kinetische energie". Tegelijkertijd betekent de definitie van LES door Pope [6] "de berekeningsgrid is zeer fijn zodat het direct opgeloste turbulente kinetische energie meer dan 80% is van de totale turbulente kinetische energie". Toch moet worden opgemerkt dat de VLES die in dit artikel wordt ingevoerd een nieuwe berekeningsmethode is die herbouwd en ontwikkeld is op basis van de eerdere methode. Hoewel de namen hetzelfde zijn, verschilt de nieuwe VLES methode essentieel van de VLES methode gedefinieerd door Pope. Uit de figuur blijkt dat de traditionele turbulentiemodellen in volgorde van berekeningsnauwkeurigheid zijn: RANS, URANS, hybride RANS/LES, LES en DNS. Onder het nieuwe modelkader worden de turbulentiemodellen verdeeld in RANS, VLES en DNS in volgorde van berekeningsnauwkeurigheid. Dat wil zeggen dat de VLES methode de unificatie van meerdere traditionele turbulentiemodellen realiseert, en verschillende modellen adaptief glad overgaan en converteren volgens lokale kenmerken in de praktijk.

Simulatie van typische fysieke processen in de verbrandingskamer

Zeer Grote Eddy Simulatie van Sterk Swirlende Stroom

De verbrandingskamer van een vliegtuigmotor gebruikt doorgaans vormen van stromingsvelden zoals meervoudige swirl en sterke swirl. Swirlstroom is het meest basisstromingsvorm in de verbrandingskamer. Aangezien swirl dominant is in zowel de stroomrichting als de omtrentelijke richting, heeft de turbulentie van swirl een sterker anisotrope karakter dan traditionele buis-, kanaal- en jetstromingen. Daarom stelt de numerieke simulatie van swirl een grote uitdaging voor de turbulentiesimulatiemethode. Xia et al. gebruikten de VLES-methode om het klassieke voorbeeld van sterke swirlstroom in de buis te berekenen; Dellenback et al. [14] voerden stromingsveldexperimenten uit op dit voorbeeld en beschikken over gedetailleerde experimentele gegevens. Het Reynolds-getal van de gestudeerde stroming bedraagt 1.0 × 105 (gebaseerd op de diameter van de cirkelvormige buis) en het wentelgetal is 1,23. Twee sets van gestructureerde roosters worden gebruikt in de berekening. Het totale aantal schaarse roosters (M1) is ongeveer 900.000 en het totale aantal versleutelde roosters (M2) is ongeveer 5,1 miljoen. De statistische momentresultaten verkregen door berekening worden verder vergeleken met de experimentele resultaten om de berekenningsnauwkeurigheid van de VLES-methode te verifiëren.

De vergelijking van de berekeningsresultaten van verschillende methoden en de experimentele resultaten van de radiale verdeling van het omtreksgemiddelde snelheid en de pulserende snelheid op verschillende neerstroomposities onder sterke wentelstroming wordt weergegeven in Figuur 4. In de figuur zijn de horizontale en verticale coördinaten respectievelijk de dimensieloze afstand en de dimensieloze snelheid, waarbij D1 de diameter is van de inkomende ronde buis en Uin de inkomende gemiddelde snelheid. Zoals uit de figuur blijkt, toont het stromingsveld een typische Rankin-achtige samengestelde wervel die geleidelijk overgaat in een enkele star lichaamswerveling. Door de berekenings- en experimentele resultaten te vergelijken, kan worden vastgesteld dat de VLES-methode een hoge berekeningsnauwkeurigheid heeft voor de voorspelling van de omtrekssnelheid van sterke wentelstromingen, wat goed overeenkomt met de verdeling van de experimentele metingen. De traditionele RANS-methode heeft een zeer grote afwijking bij de berekening van wentelstromingen en kan de ruimtelijke evolutie van het wentelstromingsveld en turbulentiepulsatie niet correct voorspellen. In vergelijking daarmee heeft de VLES-methode een zeer hoge nauwkeurigheid in de voorspelling van het gemiddelde snelheidsveld, het pulserende snelheidsveld en de ruimtelijke evolutie onder complexe sterke wentelstromingen, en kan zelfs bij een relatief schaarse roosterresolutie nog steeds een hoge berekeningsnauwkeurigheid garanderen. Voor de voorspelling van de omtreksgemiddelde snelheid zijn de berekeningsresultaten van de VLES-methode bij twee sets van schaarse en dichte roosterresoluties vrijwel consistent.

Grote Eddy Simulatie van Turbulente Brandstofverbranding

Om de haalbaarheid van de VLES-methode in het voorspellen van turbulente verbrandingsproblemen te bestuderen [15-16], is een turbulente verbrandingsmodel ontwikkeld dat gebaseerd is op de VLES-methode gekoppeld aan de met vlammeten gegenereerde variëteiten (FGM). Het basisidee is om aan te nemen dat de turbulente vlam lokaal een een-dimensionale laminaire vlamstructuur heeft, en dat het oppervlak van de turbulente vlam de ensemble-gemiddelde is van een reeks laminaire vlamoppervlagen. Daardoor kan de hoogdimensionale componentruimte worden afgebeeld op een laagdimensionaal stromingspatroon dat bestaat uit verschillende kenmerkende variabelen (mengfractie, reactievoortgangsvariabele, etc.). Onder de voorwaarde dat het gedetailleerde reactiemechanisme wordt overwogen, wordt het aantal te oplossen transportvergelijkingen aanzienlijk verminderd, waardoor de berekeningskosten sterk worden teruggebracht.

Het specifieke implementatieproces is om de FGM-lagen data-tabel op te bouwen op basis van de mengfractie en reactievoortgangsvariabelen, de interactie tussen turbulent verbrandings door te nemen onder de aanname van de methode van de kansdichtheidsfunctie om de lagen data-tabel te integreren, en zo de turbulent data-tabel te verkrijgen. In de numerieke berekening worden de transportvergelijkingen van de mengfractie, reactievoortgangsvariabelen en de overeenkomstige variantie opgelost, en wordt de brandveldinformatie verkregen door de turbulent data-tabel te raadplegen.

Het turbulent brandstofmodel gebaseerd op VLES en FGM werd gebruikt om numerieke berekeningen uit te voeren op de methaan/lucht turbulent straalmotorvlam (Flame D) die gemeten is door het Sandia-laboratorium in de Verenigde Staten, en er werden kwantitatieve vergelijkingen gemaakt met de experimentele meetgegevens. Het brandstofmateriaal van het Sandia-voorbeeld Flame D (Reynolds-getal is 22400) is een volledige mengsel van methaan en lucht met een volumeverhouding van 1:3, de brandstofinvoegsnelheid bedraagt ongeveer 49,9 m/s, en de achtergrondsnelheid bedraagt ongeveer 11,4 m/s. De functievlam is een mengsel van verbrand methaan en lucht, en het materiaal in de wakkeringszone is zuivere lucht. De berekening maakt gebruik van een gestructureerd rooster, en het totale aantal roosters bedraagt ongeveer 1,9 miljoen.

De verdeling van de gemiddelde massafractie van verschillende componenten langs de as wordt weergegeven in Figuur 5. De horizontale en verticale coördinaten in de figuur zijn dimensieloze afstand (D2 is de diameter van de invoerstraalbuis) en dimensieloze massafractie, respectievelijk. Uit de figuur blijkt dat de voorspelling van de hoofdbestanddelen van het brandingsproces door de VLES-methode over het algemeen goed overeenkomt met de experimentele resultaten. De verspreide verdeling van de temperatuur op verschillende posities stroomafwaarts in de mengingsfractieruimte wordt weergegeven in Figuur 6. Uit de figuur blijkt dat de door de VLES-methode voorspelde verspreidingsrichting essentieel overeenkomt met de experimentele resultaten, en alleen de berekende temperatuurextremum iets hoger is dan de experimentele waarde. De verdeling van de instantane vorticiteit, temperatuur en resolutiecontrolefunctie, berekend door VLES, wordt weergegeven in Figuur 7, waarbij de gestrekte lijn als Zst=0,351 wordt genomen. Uit de figuur blijkt dat het kernstraalgebied sterke turbulentepulsaties vertoont, en naarmate het stromingsveld zich ontwikkelt stroomafwaarts, geleidelijk aan de schaal van de wervelstructuur toeneemt. Zoals te zien is uit Figuur 7 (b) en (c), ligt in de meeste chemische reactiegebieden de resolutiecontrolefunctie tussen 0 en 1, wat aangeeft dat de lokale roosterresolutie grote schaal turbulence kan vastleggen en alleen kleine schaal turbulence via het model simuleert. Op dat moment gedraagt VLES zich als een benaderde oplossingsmodus van grote eddy simulatie. In de straalscheerlaag en de buitenrand van de stroomafwaarts vlam is de resolutiecontrolefunctie dicht bij 1, wat aangeeft dat de afgesneden filterschaal van het rekenrooster groter is dan de lokale turbulentschaal. Op dat moment gedraagt VLES zich als een onstabiele Reynolds-gemiddelde oplossingsmodus. Samenvattend kan worden gezegd dat de VLES-methode de transformatie van meerdere turbulente oplossingsmodi kan realiseren volgens de realtimekenmerken van de wervelstructuurevolutie, en het onstabiele brandingsproces in turbulentevlammen nauwkeurig kan voorspellen.

Grote eddy simulatie van het volledige verdampingproces

De meeste brandstof die in de verbrandingskamer van een vliegtuigmotor wordt gebruikt, is vloeibare brandstof. Vloeibare brandstof komt de verbrandingskamer binnen en ondergaat processen van primaire en secondaire verdamping. Er zijn veel moeilijkheden bij het simuleren van het volledige verdampingsproces van vloeibare brandstof, waaronder het vastleggen van de topologische grensoppervlakconfiguratie van het gas-vloeistof tweefasensysteem, de deformatie en ruptuur van de vloeistofspeer, de breukontwikkeling van vloeibandjes en vloeidraden in druppels, en de interactie tussen turbulent stromen en druppels. Huang Ziwei [19] ontwikkelde een simulatiemodel voor het volledige verdampingsproces gebaseerd op de VLES-methode gekoppeld aan de VOFDPM-hybride verdampingsberekeningsmethode, waarmee de volledige numerieke simulatie van brandstofverdamping van continue vloeistof tot discrete druppels wordt gerealiseerd.

Een nieuw ontwikkelde simulatiemodel voor verdamperingsprocessen is gebruikt om hoge-nauwkeurigheids numerieke berekeningen uit te voeren van het klassieke lateral flow vloeistofkolom verdampingsproces, en een gedetailleerde vergelijking is gemaakt met de experimentele resultaten in de open literatuur [20] en de large eddy simulatieberekeningresultaten [21]. In het berekeningsvoorbeeld is de gasfase lucht met snelheden van respectievelijk 77,89 en 110,0 m/s, en de vloeistof-fase is vloeibaar water met een snelheid van 8,6 m/s. De overeenkomstige Weber-getallen zijn respectievelijk 100 en 200. Om het secundaire breukproces beter te simuleren, gebruikt het breukmodel het Kelvin-Helmholtz en Rayleigh-Taylor (KHRT) model.

Het volledige verdampproces zoals voorspeld door VLES onder de Weber-getal 100 conditie wordt weergegeven in Figuur 8. Uit de figuur blijkt dat er in het begingebied een dunne vloeistoflaag gevormd wordt, waarna de vloeistofkolom breekt in vloeistofbanden en -draden, en uiteindelijk in druppels onder invloed van aerodynamische krachten. Deze druppels worden verder verdeeld in kleinere druppels door secundaire breukprocessen. De stroomsnelheid en de spanwise vortexdistributie berekend door VLES onder de Weber-getal 100 conditie zijn te zien in Figuur 9. Uit de figuur blijkt dat er een typische lage-snelheids hercirculatiezone aan de afwindzijde van de vloeistofkolom is. Uit de instantane vortexdistributie blijkt dat de afwindzijde van de vloeistofkolom een sterke vortexstructuur vertoont, en de sterke turbulentie in de lage-snelheids hercirculatiezone bijdraagt aan de ruptuur van de vloeistofkolomlaag en de vorming van druppels.

Het verhoudingsgetal van de initiële straal diameter tot de minimale stroomdimensie van de vloeistofstraal wanneer de vloeistofschaaf begint te breken onder verschillende Weber-getallen is weergegeven in Figuur 10. In de figuur is di de minimale stroomdimensie van de vloeistofstraal wanneer de vloeistofschaaf begint te breken, en D3 is de initiële vloeistofstraaldiameter. Uit de figuur blijkt dat de VLES-berekeningsresultaten goed overeenkomen met de experimentele resultaten, die beter zijn dan de grote-roergsimulatieberekeningsresultaten in de literatuur [21].

Brandstofinstabiliteit Zeer Grote Roerg Simulatie

Om aan de eisen van lage emissies te voldoen, worden de brandkamers van civiele vliegtuigen meestal ontworpen met voorvermengde of gedeeltelijk voorvermengde magere combustie. Toch heeft magere voorvermengde combustie een slechte stabiliteit en is er gevoeligheid voor thermoacoustisch gekoppelde oscillatiebrandmodi, wat leidt tot brandinstabiliteit. Brandinstabiliteit is hoogst verwoestend en kan gepaard gaan met problemen zoals flashback en vaste deformatie, wat een opvallend probleem is dat de ontwerp van brandkamers tegenkomt.

De numerieke berekening van brandstofinstabiliteit kan worden onderverdeeld in twee categorieën: de decoupleringmethode en de directe coupleringmethode. De gedecoupleerde brandstofinstabiliteitsvoorspellingsmethode scheidt de onstabiele verbranding en akoestische oplossingen van elkaar. Onstabiele verbranding vereist een groot aantal numerieke berekeningssteekproeven om een betrouwbare vlambeschrijvingsfunctie te bouwen. Als de methode van grote eddy-simulatie wordt gebruikt, is het verbruik van rekenbronnen te groot. De directe coupleringberekeningsmethode baseert zich op de compressibele oplossingsmethode en verkrijgt rechtstreeks het resultaat van brandstofinstabiliteit door middel van een hoognauwkeurige onstabiele berekening, dat wil zeggen dat het coupleringberekeningsproces van onstabiele verbranding en akoestiek onder gegeven werkomstandigheden in één keer binnen hetzelfde berekeningskader wordt voltooid.

Bij het studeren van de numerieke simulatie van ontkoppeling van brandstofinstabiliteit, ontwikkelden Huang et al. [27] een berekeningsmodel voor brandstofinstabiliteit gebaseerd op de VLES-methode gekoppeld met de verdikte vlam-berekeningsmethode, en realiseerden nauwkeurige voorspellingen van het onstabiele brandproces onder akoestische opwekking. Het berekeningsexemplaar is een afgeronde lichaamstationaire ethyleen/lucht volledig voorvermengde vlam ontwikkeld door de Universiteit van Cambridge, met een equivalentieverhouding van 0,55 en een Reynoldsgetal van ongeveer 17000. De vergelijking tussen de VLES-berekeningsresultaten en de experimentele resultaten van de onstabiele vlamodynamische kenmerken onder akoestische opwekking wordt weergegeven in Figuur 12. Uit de figuur blijkt dat tijdens het invoeropwekkingproces de vlam oprolt aan de binnen- en buitenscheerslagen en evolueert tot een paar tegengedraaide wervels. In dit proces blijft de evolutie van het paddenstoelvormige vlampatroon zich ontwikkelen met de verandering van de fasewinkel. De VLES-berekeningsresultaten reproduceren de in het experiment waargenomen vlammevolutiekenmerken goed. De vergelijking van de amplitude en fasaverschil van de hitteontwikkelingsreactie onder 160 Hz akoestische opwekking verkregen door verschillende berekeningmethoden en experimentele metingen wordt weergegeven in Figuur 13. In de figuur zijn Q' en Q ͂ zijn respectievelijk de pulserende warmtevrijgave en de gemiddelde warmtevrijgave van verbranding, A is de amplitude van de sinusvormige akoestische opwekking, en de ordinaat van Figuur 13 (b) is het fasenverschil tussen het transientele warmtevrijgevingsignaal van verbranding onder akoestische opwekking en het invoersnelheidsopwekkingssignaal. Uit de figuur blijkt dat de voorspellingsnauwkeurigheid van de VLES-methode vergelijkbaar is met de nauwkeurigheid van grote eddy-simulatie [28], en beide komen goed overeen met de experimentele waarden. Hoewel de onstabiele RANS-methode de trend van de niet-lineaire respons voorspelt, wijken de berekende kwantitatieve resultaten sterk af van de experimentele waarden. Voor de fasenverschilresultaten (Figuur 13 (b)) is de trend van het fasenverschil dat door de VLES-methode wordt voorspeld bij de storingamplitude grotendeels consistent met de experimentele resultaten, terwijl de resultaten van de grote eddy-simulatie de bovenstaande trend niet goed voorspellen.