Onderzoeksvoortgang op het gebied van aerodynamische prestaties van verbrandingskamers van vliegtuigmotoren op basis van grootschalige wervelsimulatie

Onderzoeksvoortgang op het gebied van aerodynamische prestaties van verbrandingskamers van vliegtuigmotoren op basis van grootschalige wervelsimulatie

De verbrandingskamer is een van de kerncomponenten van een vliegtuigmotor en de aerodynamische prestaties van de verbrandingskamer spelen een cruciale rol in de prestaties van de gehele motor. Om te voldoen aan de steeds strengere technische vereisten van de motor voor de verbrandingskamer, zijn de verbrandingsorganisatiemodus en de stromingskenmerken in de verbrandingskamer zeer complex geworden. Het vertragings- en drukproces van de diffuser kan te maken krijgen met stromingsscheiding onder een sterke tegengestelde drukgradiënt; de luchtstroom passeert een meertraps wervelinrichting om een ​​grootschalige wervelstructuur te vormen, die enerzijds de atomisering en verdamping van de vloeibare brandstof bevordert en een sterk pulserend, onstabiel mengsel met de brandstof vormt, en anderzijds een stationaire vlam genereert in de aerodynamische recirculatiezone; de ​​meervoudige stralen van het hoofdverbrandings-/menggat werken samen met de laterale stroming in de vlambuis om een ​​tegengesteld roterend wervelpaar te vormen, wat een belangrijke invloed heeft op turbulente menging. Op basis van stroming zijn multi-schaal fysieke en chemische processen zoals atomisatie en verdamping, menging, chemische reactie en interactie tussen turbulentie en vlam sterk gekoppeld, die gezamenlijk de aerodynamische eigenschappen van de verbrandingskamer bepalen. De zeer nauwkeurige modellering en berekening van deze fysieke en chemische processen zijn altijd een hot topic geweest van onderzoek in binnen- en buitenland.

De atomisatie-, verdampings-, meng- en verbrandingsprocessen in de verbrandingskamer ontwikkelen en evolueren in een turbulente stromingsomgeving, dus stroming is de basis voor de simulatie van de aerodynamische prestaties van de verbrandingskamer. Het basiskenmerk van turbulentie is dat de stromingsparameters willekeurige pulsatie vertonen als gevolg van het niet-lineaire convectieproces. Turbulentie bevat veel wervelstructuren. De overspanningen van verschillende wervels in lengte- en tijdschalen zijn enorm, en naarmate het Reynoldsgetal toeneemt, nemen de overspanningen tussen schalen sterk toe. Afhankelijk van de verhouding van turbulente wervelstructuren die direct worden opgelost, turbulentiesimulatie methoden worden onderverdeeld in directe numerieke simulatie (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), grote wervelsimulatie (LES) en gemengde turbulentiesimulatiemethoden. De RANS-methode, die veel wordt gebruikt in de techniek, lost het turbulente gemiddelde veld op en gebruikt een model om alle turbulente pulsatie-informatie te simuleren. De berekeningshoeveelheid is klein, maar de nauwkeurigheid is slecht. Voor sterke wervelingen en onstabiele stromingsprocessen in de verbrandingskamer kan RANS niet voldoen aan de vereisten van verfijnd ontwerp. Pitsch wees erop dat de rekencomplexiteit van LES tussen RANS en DNS ligt en momenteel wordt gebruikt voor turbulente verbrandingsberekeningen in onbeperkte ruimtes met gemiddelde en lage Reynolds-getallen. Vanwege de kleine omvang van turbulentie in het gebied nabij de wand van de verbrandingskamer en het hoge Reynolds-getal van de stroming, is de hoeveelheid roosters die nodig is voor LES-berekening van een enkele kop van de verbrandingskamer alleen al in de honderden miljoenen tot miljarden. Een dergelijk hoog verbruik van rekenkracht beperkt het wijdverbreide gebruik van LES in verbrandingskamersimulaties.

De oprichting van zeer nauwkeurige rekenmodellen 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 die is ontwikkeld door Han et al. lost het probleem op van lage rekenefficiëntie veroorzaakt door het filteren van rasterschaal en het oplossen van turbulentieschaalaanpassingsbeperkingen in traditionele LES, en realiseert koppelingsmodellering tussen turbulentie-multischaalkarakteristieken, transiënte evolutiekarakteristieken en rasterresolutie. , VLES past adaptief de verhouding aan tussen turbulentieoplossing en modellering op basis van de realtime-karakteristieken van de evolutie van de vortexstructuur, waardoor de rekenkosten aanzienlijk worden verlaagd en de berekeningsnauwkeurigheid wordt gegarandeerd.

Niettemin zijn de theorie en kenmerken van VLES, vergeleken met traditionele LES, niet uitgebreid bestudeerd en gebruikt. Dit artikel introduceert systematisch de modelleringstheorie van VLES en de toepassingseffecten ervan in verschillende fysieke scenario's met betrekking tot verbrandingskamers, en promoot de grootschalige toepassing van VLES op het gebied van simulatie van verbrandingskamers van vliegtuigmotoren.

Grote wervelsimulatiemethode

De invloed van turbulentiesimulatiemethoden op het verbruik van computerbronnen en modellen wordt getoond in Figuur 1. RANS-, LES- en VLES-methoden bereiken allemaal stromingssimulatie door middel van turbulentiemodellering. Opgemerkt moet worden dat de vroegste duidelijke definitie van VLES werd gegeven door Pope, die verwijst naar "de computationele rasterschaal is te grof, zodat de direct opgeloste turbulente kinetische energie minder is dan 80% van de totale turbulente kinetische energie". Tegelijkertijd is de betekenis van LES gegeven door Pope [6] "het computationele raster is erg fijn, zodat de direct opgeloste turbulente kinetische energie groter is dan 80% van de totale turbulente kinetische energie". Niettemin moet worden opgemerkt dat de VLES die in dit artikel wordt geïntroduceerd een nieuwe computationele methode is die is hermodelleerd en ontwikkeld op basis van de vorige methode. Hoewel de namen hetzelfde zijn, verschilt de nieuwe VLES-methode wezenlijk van de VLES-methode die door Pope is gedefinieerd. Zoals u in de afbeelding kunt zien, zijn de traditionele turbulentiemodi RANS, URANS, hybride RANS/LES, LES en DNS in volgorde van berekeningsnauwkeurigheid. Onder het nieuwe modelkader worden de turbulentiemodi verdeeld in RANS, VLES en DNS in volgorde van berekeningsnauwkeurigheid. Dat wil zeggen dat de VLES-methode de unificatie van meerdere traditionele turbulentiemodi realiseert en verschillende modellen adaptief overgaan en soepel converteren volgens lokale kenmerken in werkelijke berekeningen.

Simulatie van typische fysieke processen in de verbrandingskamer

Zeer grote wervelsimulatie van sterke wervelstroom

De verbrandingskamer van een vliegtuigmotor neemt doorgaans stromingsveldorganisatievormen aan zoals meertrapswerveling en sterke werveling. Wervelstroom is de meest basale stromingsvorm in de verbrandingskamer. Omdat werveling dominant is in zowel de stromingsrichting als de tangentiële richting, heeft de turbulente pulsatie van werveling een sterkere anisotropie dan traditionele pijpstroming, kanaalstroming en straalstroming. Daarom vormt de numerieke simulatie van werveling een grote uitdaging voor de turbulentiesimulatiemethode. Xia et al. gebruikten de VLES-methode om het klassieke sterke wervelstroomvoorbeeld in de buis te berekenen; Dellenback et al. [14] voerden stromingsveldexperimenten uit op dit voorbeeld en hebben gedetailleerde experimentele gegevens. Het stromings-Reynoldsgetal van het berekende voorbeeld is 1.0×105 (gebaseerd op de diameter van de cirkelvormige buis) en het wervelgetal is 1.23. Twee sets gestructureerde roosters worden gebruikt in de berekening. Het totale aantal sparse roosters (M1) is ongeveer 900,000 en het totale aantal gecodeerde roosters (M2) is ongeveer 5.1 miljoen. De statistische momentresultaten verkregen door berekening worden verder vergeleken met de experimentele resultaten om de berekeningsnauwkeurigheid van de VLES-methode te verifiëren.

De vergelijking van de berekeningsresultaten van verschillende methoden en de experimentele resultaten van de radiale verdeling van de gemiddelde omtreksnelheid en pulserende snelheid op verschillende stroomafwaartse posities onder sterke wervelende stroming wordt getoond in Figuur 4. In de figuur zijn de horizontale en verticale coördinaten respectievelijk dimensieloze afstand en dimensieloze snelheid, waarbij D1 de diameter is van de inlaatcirkelvormige buis en Uin de gemiddelde inlaatsnelheid. Zoals te zien is in de figuur, vertoont het stromingsveld een typische Rankin-achtige samengestelde werveling die geleidelijk overgaat in een enkele starre lichaamswerveling. Door de berekening en experimentele resultaten te vergelijken, kan worden vastgesteld dat de VLES-methode een hoge berekeningsnauwkeurigheid heeft voor de voorspelling van de omtreksnelheid van sterke wervelende stroming, wat goed overeenkomt met de verdeling van experimentele metingen. De traditionele RANS-methode heeft een zeer grote afwijking in de berekening van wervelstroom en kan de ruimtelijke evolutie van het wervelstroomveld en turbulente pulsatie niet correct voorspellen. Ter vergelijking: de VLES-methode heeft een zeer hoge nauwkeurigheid bij de voorspelling van het gemiddelde snelheidsveld, pulserende snelheidsveld en ruimtelijke evolutie onder complexe sterke wervelende stroming, en kan nog steeds een hoge berekeningsnauwkeurigheid garanderen, zelfs bij een relatief spaarzame rasterresolutie. Voor de voorspelling van de gemiddelde omtreksnelheid zijn de berekeningsresultaten van de VLES-methode in principe consistent bij twee sets spaarzame en dichte rasterresoluties.

Grote wervelsimulatie van turbulente verbranding

Om de haalbaarheid van de VLES-methode bij het voorspellen van turbulente verbrandingsproblemen te bestuderen [15-16], werd een turbulent verbrandingsmodel ontwikkeld op basis van de VLES-methode gekoppeld aan de flamelet-gegenereerde manifolds (FGM). Het basisidee is om aan te nemen dat de turbulente vlam lokaal een eendimensionale laminaire vlamstructuur heeft en dat het turbulente vlamoppervlak het ensemblegemiddelde is van een reeks laminaire vlamoppervlakken. Daarom kan de hoogdimensionale componentruimte worden toegewezen aan een laagdimensionaal stromingspatroon dat is samengesteld uit verschillende karakteristieke variabelen (mengselfractie, reactievoortgangsvariabele, enz.). Onder de voorwaarde dat het gedetailleerde reactiemechanisme in overweging wordt genomen, wordt het aantal op te lossen transportvergelijkingen sterk verminderd, waardoor de rekenkosten aanzienlijk worden verlaagd.

Het specifieke implementatieproces is om de FGM laminaire datatabel te construeren op basis van de mengselfractie en reactievoortgangsvariabelen, de interactie tussen turbulente verbranding te overwegen door de waarschijnlijkheidsdichtheidsfunctiemethode aan te nemen om de laminaire datatabel te integreren, en zo de turbulente datatabel te verkrijgen. In de numerieke berekening worden de transportvergelijkingen van de mengselfractie, reactievoortgangsvariabelen en de bijbehorende variantie opgelost, en de verbrandingsveldinformatie wordt verkregen door de turbulente datatabel te bevragen.

Het turbulente verbrandingsmodel op basis van VLES en FGM werd gebruikt om numerieke berekeningen uit te voeren op de turbulente methaan/lucht-straalvlam (vlam D) gemeten door het Sandia-laboratorium in de Verenigde Staten, en er werden kwantitatieve vergelijkingen gemaakt met de experimentele meetgegevens. Het brandstofmateriaal van het Sandia Flame D-voorbeeld (Reynolds-getal is 22400) is een compleet mengsel van methaan en lucht met een volumeverhouding van 1:3, de brandstofinlaatsnelheid is ongeveer 49.9 m/s en de kielzogsnelheid is ongeveer 11.4 m/s. De werkvlam is een mengsel van verbrand methaan en lucht, en het kielzogmateriaal is zuivere lucht. De berekening maakt gebruik van een gestructureerd raster en het totale aantal rasters is 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 respectievelijk dimensieloze afstand (D2 is de diameter van de inlaatstraalbuis) en dimensieloze massafractie. Uit de figuur blijkt dat de voorspelling van de hoofdcomponenten van het verbrandingsproces door de VLES-methode over het algemeen goed overeenkomt met de experimentele resultaten. De verspreide verdeling van de temperatuur op verschillende stroomafwaartse posities in de mengfractieruimte wordt weergegeven in Figuur 6. Uit de figuur blijkt dat de verspreide verdelingstrend die door de VLES-methode wordt voorspeld, in principe consistent is met de experimentele resultaten, en dat alleen de berekende extreme temperatuurwaarde iets hoger is dan de experimentele waarde. De verdeling van de onmiddellijke vorticiteit, temperatuur en resolutiecontrolefunctie die door VLES wordt berekend, wordt weergegeven in Figuur 7, waarbij de doorgetrokken lijn wordt genomen als Zst=0.351. Uit de figuur blijkt dat het kernstraalgebied sterke turbulente pulsatie vertoont, en naarmate het stromingsveld zich stroomafwaarts ontwikkelt, neemt de schaal van de vortexstructuur geleidelijk toe. Zoals te zien is in Figuur 7 (b) en (c), ligt de resolutiecontrolefunctie in de meeste chemische reactiegebieden tussen 0 en 1, wat aangeeft dat de lokale rasterresolutie grootschalige turbulentie kan vastleggen en alleen kleinschalige turbulentie door het model kan simuleren. Op dit moment gedraagt ​​VLES zich als een benaderende grote wervelingssimulatieoplossingsmodus. In de straalschuiflaag en de buitenrand van de stroomafwaartse vlam ligt de resolutiecontrolefunctie dicht bij 1, wat aangeeft dat de afgeknotte filterschaal van het rekenraster groter is dan de lokale turbulentieschaal. Op dit moment gedraagt ​​VLES zich als een onstabiele Reynolds-gemiddelde oplossingsmodus. Samenvattend kan worden gezien dat de VLES-methode de transformatie van meerdere turbulentieoplossingsmodi kan realiseren volgens de realtime-kenmerken van de evolutie van de wervelstructuur, en het onstabiele verbrandingsproces in turbulente vlammen nauwkeurig kan voorspellen.

Grote wervelsimulatie van het volledige atomiseringsproces

Het grootste deel van de brandstof die in de verbrandingskamer van een vliegtuigmotor wordt gebruikt, is vloeibare brandstof. Vloeibare brandstof komt de verbrandingskamer binnen en ondergaat primaire atomisatie- en secundaire atomisatieprocessen. Er zijn veel moeilijkheden bij het simuleren van het volledige atomisatieproces van vloeibare brandstof, waaronder het vastleggen van de gas-vloeistof tweefasen topologische interfaceconfiguratie, vervorming en breuk van vloeistofkolommen, de breukontwikkeling van vloeistofbanden en vloeistoffilamenten in druppels en de interactie tussen turbulente stroming en druppels. Huang Ziwei [19] ontwikkelde een volledig atomisatieprocessimulatiemodel op basis van de VLES-methode gekoppeld aan de VOFDPM hybride atomisatieberekeningsmethode, waarmee de volledige numerieke simulatie van brandstofatomisatie van continue vloeistof tot discrete druppels werd gerealiseerd.

Een nieuw ontwikkeld simulatiemodel voor het atomiseringsproces werd gebruikt om zeer nauwkeurige numerieke berekeningen uit te voeren van het klassieke laterale stroming vloeistofkolom atomiseringsproces, en er werd een gedetailleerde vergelijking gemaakt met de experimentele resultaten in de open literatuur [20] en de resultaten van de grote wervelsimulatieberekening [21]. In het berekeningsvoorbeeld is de gasfase lucht met snelheden van respectievelijk 77.89 en 110.0 m/s, en de vloeistoffase 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, neemt het breukmodel het Kelvin-Helmholtz en Rayleigh-Taylor (KHRT)-model over.

Het volledige atomisatieproces voorspeld door VLES onder de Weber-getal 100-conditie wordt getoond in Figuur 8. Zoals te zien is in de figuur, wordt er een dunne laag vloeistofkolom gevormd in het begingebied, en vervolgens breekt de vloeistofkolom in vloeistofbanden en vloeistoffilamenten, en breekt in druppeltjes onder de werking van aerodynamische kracht, en de druppeltjes worden verder gebroken in kleinere druppeltjes door secundaire breuk. De stroomsnelheid en spanwijdte vorticiteitsverdeling berekend door VLES onder de Weber-getal 100-conditie worden getoond in Figuur 9. Zoals te zien is in de figuur, is er een typische lage-snelheidsrecirculatiezone aan de lijzijde van de vloeistofkolom. Uit de directe vorticiteitsverdeling kan worden afgeleid dat de lijzijde van de vloeistofkolom een ​​sterke vortexstructuur vertoont, en de sterke turbulente beweging in de lage-snelheidsrecirculatiezone draagt ​​bij aan de breuk van de vloeistofkolomlaag en de vorming van druppeltjes.

De verhouding van de initiële straaldiameter tot de minimale stromingsdimensie van de vloeistofstraal wanneer de vloeistofkolom begint te breken onder verschillende Weber-getallen, wordt weergegeven in Figuur 10. In de figuur is di de minimale stromingsdimensie van de vloeistofstraal wanneer de vloeistofkolom 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 wervelsimulatieberekeningsresultaten in de literatuur [21].

Simulatie van verbrandingsinstabiliteit in zeer grote wervelingen

Om te voldoen aan de eisen van lage emissies, worden verbrandingskamers voor civiele vliegtuigen meestal ontworpen met voorgemengde of gedeeltelijk voorgemengde magere verbranding. Magere voorgemengde verbranding heeft echter een slechte stabiliteit en is geneigd thermoakoestische gekoppelde oscillatieverbrandingsmodi op te wekken, wat leidt tot verbrandingsinstabiliteit. Verbrandingsinstabiliteit is zeer destructief en kan gepaard gaan met problemen zoals terugslag en vaste vervorming, wat een prominent probleem is bij het ontwerp van verbrandingskamers.

De numerieke berekening van verbrandingsinstabiliteit kan worden onderverdeeld in twee categorieën: ontkoppelingsmethode en directe koppelingsmethode. De ontkoppelde verbrandingsinstabiliteitsvoorspellingsmethode ontkoppelt de onstabiele verbranding en akoestische oplossingen. Onstabiele verbranding vereist een groot aantal numerieke berekeningsmonsters om een ​​betrouwbare vlambeschrijvingsfunctie te bouwen. Als de grote wervelsimulatieberekeningsmethode wordt gebruikt, is het verbruik van computerbronnen te groot. De directe koppelingsberekeningsmethode is gebaseerd op de samendrukbare oplossingsmethode en verkrijgt rechtstreeks het resultaat van verbrandingsinstabiliteit door middel van zeer nauwkeurige onstabiele berekening, dat wil zeggen dat het koppelingsberekeningsproces van onstabiele verbranding en akoestiek onder gegeven werkomstandigheden in één keer binnen hetzelfde berekeningskader wordt voltooid.

In de studie van numerieke simulatie van ontkoppeling van verbrandingsinstabiliteit ontwikkelden Huang et al. [27] een verbrandingsinstabiliteitsberekeningsmodel op basis van de VLES-methode gekoppeld aan de verdikkende vlamberekeningsmethode, en bereikten een nauwkeurige voorspelling van het onstabiele verbrandingsproces onder akoestische excitatie. Het berekeningsvoorbeeld is een stomp lichaam stationaire ethyleen/lucht volledig voorgemengde vlam ontwikkeld door Cambridge University, met een equivalentieverhouding van 0.55 en een Reynolds-getal van ongeveer 17000. De vergelijking tussen de VLES-berekeningsresultaten en de experimentele resultaten van de onstabiele vlamdynamische kenmerken onder akoestische excitatie wordt getoond in Figuur 12. Uit de figuur is te zien dat tijdens het inlaat-excitatieproces de vlam omrolt bij de binnenste en buitenste schuiflagen en evolueert naar een tegengesteld roterend wervelpaar. In dit proces blijft de evolutie van het paddenstoelvormige vlamprofiel zich ontwikkelen met de verandering van de fasehoek. De VLES-berekeningsresultaten reproduceren goed de vlamontwikkelingskenmerken die in het experiment zijn waargenomen. De vergelijking van de amplitude en het faseverschil van de warmteafgiftesnelheidsrespons onder 160 Hz akoestische excitatie verkregen door verschillende berekeningsmethoden en experimentele metingen wordt getoond in Figuur 13. In de figuur zijn Q' en Q͂ zijn respectievelijk de pulserende warmteafgifte en gemiddelde warmteafgifte van verbranding, A is de amplitude van sinusvormige akoestische excitatie en de ordinaat van Figuur 13 (b) is het faseverschil tussen het transiënte warmteafgiftesignaal van verbranding onder akoestische excitatie en het inlaatsnelheidsexcitatiesignaal. Zoals uit de figuur blijkt, is de voorspellingsnauwkeurigheid van de VLES-methode vergelijkbaar met de nauwkeurigheid van grote wervelsimulatie [28], en beide komen goed overeen met de experimentele waarden. Hoewel de onstabiele RANS-methode de trend van niet-lineaire respons voorspelt, wijken de berekende kwantitatieve resultaten sterk af van de experimentele waarden. Voor de faseverschilresultaten (Figuur 13 (b)) is de trend van het faseverschil voorspeld door de VLES-methode met de verstoringsamplitude in principe consistent met de experimentele resultaten, terwijl de grote wervelsimulatieresultaten de bovenstaande trend niet goed voorspellen.