Forskningsfremgang på aerodynamisk ytelse av forbrenningskammer for flymotorer basert på simulering av store virvler

Forskningsfremgang på aerodynamisk ytelse av forbrenningskammer for flymotorer basert på simulering av store virvler

Forbrenningskammeret er en av kjernekomponentene i en flymotor, og den aerodynamiske ytelsen til forbrenningskammeret spiller en viktig rolle i ytelsen til hele motoren. For å møte de stadig strengere tekniske kravene til motoren for forbrenningskammeret, har forbrenningsorganiseringsmodusen og strømningsegenskapene inne i forbrenningskammeret blitt svært komplekse. Decelerasjonen og trykksettingsprosessen til diffusoren kan møte strømningsseparasjon under en sterk ugunstig trykkgradient; luftstrømmen passerer gjennom en flertrinns virvelanordning for å danne en virvelstruktur i stor skala, som på den ene siden fremmer atomisering og fordampning av det flytende drivstoffet og danner en sterkt pulserende, ustabil blanding med drivstoffet, og på den annen side genererer en stasjonær flamme i den aerodynamiske resirkulasjonssonen; de multiple strålene i hovedforbrennings-/blandingshullet samhandler med sidestrømmen i flammerøret for å danne et motroterende virvelpar, som har en viktig innflytelse på turbulent blanding. På grunnlag av flyt er flerskala fysiske og kjemiske prosesser som forstøvning og fordampning, blanding, kjemisk reaksjon og interaksjon mellom turbulens og flamme sterkt koblet, som i fellesskap bestemmer de aerodynamiske egenskapene til forbrenningskammeret. Høypresisjonsmodellering og beregning av disse fysiske og kjemiske prosessene har alltid vært et hett tema for forskning i inn- og utland.

Forstøvnings-, fordampnings-, blandings- og forbrenningsprosessene i forbrenningskammeret utvikler seg og utvikler seg i et turbulent strømningsmiljø, så flyt er grunnlaget for simulering av den aerodynamiske ytelsen til forbrenningskammeret. Den grunnleggende egenskapen til turbulens er at strømningsparametrene viser tilfeldig pulsering på grunn av den ikke-lineære konveksjonsprosessen. Turbulens inneholder mange virvelstrukturer. Spennene til forskjellige virvler i lengde og tidsskalaer er enorme, og etter hvert som Reynolds-tallet øker, øker spennene mellom skalaene kraftig. I henhold til andelen turbulente virvelstrukturer som er direkte løst, turbulenssimulering Metodene er delt inn i direkte numerisk simulering (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), simulering av store virvler (LES) og simuleringsmetoder for blandet turbulens. RANS-metoden, som er mye brukt i engineering, løser det turbulente middelfeltet og bruker en modell for å simulere all turbulent pulsasjonsinformasjon. Beregningsbeløpet er lite, men nøyaktigheten er dårlig. For sterke virvler og ustabile strømningsprosesser i forbrenningskammeret kan ikke RANS oppfylle kravene til raffinert design. Pitsch påpekte at beregningskompleksiteten til LES ligger mellom RANS og DNS, og brukes for tiden til turbulente forbrenningsberegninger i ubegrensede rom med middels og lave Reynolds-tall. På grunn av den lille skalaen av turbulens i nærveggområdet til forbrenningskammeret og det høye Reynolds-tallet på strømmen, er mengden gitter som kreves for LES-beregning av et enkelt hode i forbrenningskammeret alene i hundrevis av millioner til milliarder. Et slikt høyt beregningsressursforbruk begrenser den utbredte bruken av LES i forbrenningskammersimuleringer.

Etablering av høypresisjonsberegningsmodeller og -metoder basert på Very Large Eddy Simulation (VLES) og Hybrid RANS-LES Method-rammeverk er en viktig trend innen numerisk simulering. VLES-metoden utviklet av Han et al. løser problemet med lav beregningseffektivitet forårsaket av filtrering av nettskala og løsning av turbulensskalatilpasningsrestriksjoner i tradisjonelle LES, og realiserer koblingsmodellering mellom turbulens flerskala-karakteristikk, transient evolusjonskarakteristikker og rutenettoppløsning. , VLES justerer adaptivt forholdet mellom turbulensløsning og modellmodellering basert på sanntidskarakteristikkene til utviklingen av virvelstrukturen, noe som reduserer beregningskostnadene betraktelig samtidig som beregningsnøyaktigheten sikres.

Likevel, sammenlignet med tradisjonell LES, har teorien og egenskapene til VLES ikke blitt mye studert og brukt. Denne artikkelen introduserer systematisk modelleringsteorien til VLES og dens anvendelseseffekter i ulike fysiske scenarier relatert til forbrenningskamre, og fremmer storskala anvendelse av VLES innen simulering av forbrenningskammer for flymotorer.

Large Eddy Simuleringsmetode

Påvirkningen av turbulenssimuleringsmetoder på beregning av ressursforbruk og modeller er vist i figur 1. RANS-, LES- og VLES-metodene oppnår alle strømningssimulering gjennom turbulensmodellering. Det skal bemerkes at den tidligste klare definisjonen av VLES ble gitt av Pope, som refererer til "beregningsnettskalaen er for grov slik at den turbulente kinetiske energien direkte løst er mindre enn 80% av den totale turbulente kinetiske energien". Samtidig er betydningen av LES gitt av Pope [6] "beregningsnettet er veldig fint slik at den turbulente kinetiske energien direkte løst er større enn 80% av den totale turbulente kinetiske energien". Likevel bør det bemerkes at VLES introdusert i denne artikkelen er en ny beregningsmetode som har blitt ombygd og utviklet på grunnlag av den forrige metoden. Selv om navnene er de samme, er den nye VLES-metoden vesentlig forskjellig fra VLES-metoden definert av Pope. Som det fremgår av figuren, er de tradisjonelle turbulensmodusene RANS, URANS, hybrid RANS/LES, LES og DNS i rekkefølge etter beregningsnøyaktighet. Under det nye modellrammeverket er turbulensmodusene delt inn i RANS, VLES og DNS i rekkefølge etter beregningsnøyaktighet. Det vil si at VLES-metoden realiserer foreningen av flere tradisjonelle turbulensmoduser, og forskjellige modeller går adaptivt over og konverterer jevnt i henhold til lokale egenskaper i faktiske beregninger.

Simulering av typiske fysiske prosesser i brennkammeret

Veldig stor virvelsimulering av sterk virvelstrøm

Forbrenningskammeret til en flymotor bruker vanligvis strømningsfeltorganiseringsformer som flertrinns virvel og sterk virvel. Virvelstrøm er den mest grunnleggende strømningsformen i forbrenningskammeret. Siden virvel er dominerende i både strømningsretningen og tangentiell retning, har den turbulente pulseringen av virvel sterkere anisotropi enn tradisjonell rørstrøm, kanalstrømning og jetstrøm. Derfor utgjør den numeriske simuleringen av virvel en stor utfordring for turbulenssimuleringsmetoden. Xia et al. brukte VLES-metoden for å beregne det klassiske eksempelet med sterk virvelstrøm i røret; Dellenback et al. [14] utførte strømningsfelteksperimenter på dette eksemplet og har detaljerte eksperimentelle data. Strømnings-Reynolds-tallet for det beregnede eksemplet er 1.0×105 (basert på diameteren til det sirkulære røret) og virveltallet er 1.23. To sett med strukturerte rutenett er brukt i beregningen. Det totale antallet sparsomme rutenett (M1) er omtrent 900,000 2 og det totale antallet krypterte rutenett (M5.1) er omtrent XNUMX millioner. De statistiske momentresultatene oppnådd ved beregning sammenlignes videre med de eksperimentelle resultatene for å verifisere beregningsnøyaktigheten til VLES-metoden.

Sammenligningen av beregningsresultatene til ulike metoder og de eksperimentelle resultatene av den radielle fordelingen av omkretsgjennomsnittshastigheten og pulserende hastighet ved ulike nedstrømsposisjoner under sterk virvlende strømning er vist i figur 4. I figuren er de horisontale og vertikale koordinatene henholdsvis dimensjonsløs avstand og dimensjonsløs hastighet, hvor D1 er diameteren i sirkulært rør og inlet er diameteren på røret. Som det fremgår av figuren, viser strømningsfeltet en typisk Rankin-lignende sammensatt virvel som gradvis går over til en enkelt stiv kroppsvirvel. Ved å sammenligne beregnings- og eksperimentelle resultater kan man finne at VLES-metoden har en høy beregningsnøyaktighet for prediksjon av omkretshastigheten til sterk virvlende strømning, noe som stemmer godt overens med fordelingen av eksperimentelle målinger. Den tradisjonelle RANS-metoden har et meget stort avvik i beregningen av virvelstrøm og kan ikke korrekt forutsi den romlige utviklingen av virvelstrømningsfeltet og turbulent pulsering. Til sammenligning har VLES-metoden en meget høy nøyaktighet i prediksjonen av gjennomsnittshastighetsfeltet, pulserende hastighetsfelt og romlig evolusjon under kompleks sterk virvlende strømning, og kan fortsatt garantere en høy beregningsnøyaktighet selv ved en relativt sparsom rutenettoppløsning. For prediksjonen av den periferiske gjennomsnittshastigheten, er beregningsresultatene for VLES-metoden i utgangspunktet konsistente ved to sett med sparsomme og tette rutenettoppløsninger.

Stor virvelsimulering av turbulent forbrenning

For å studere gjennomførbarheten av VLES-metoden for å forutsi turbulente forbrenningsproblemer [15-16], ble det utviklet en turbulent forbrenningsmodell basert på VLES-metoden kombinert med flamelettgenererte manifolder (FGM). Den grunnleggende ideen er å anta at den turbulente flammen har en endimensjonal laminær flammestruktur lokalt, og den turbulente flammeoverflaten er ensemblegjennomsnittet av en serie laminære flammeoverflater. Derfor kan det høydimensjonale komponentrommet kartlegges til et lavdimensjonalt strømningsmønster sammensatt av flere karakteristiske variabler (blandingsfraksjon, reaksjonsforløpsvariabel, etc.). Under forutsetning av å vurdere den detaljerte reaksjonsmekanismen, reduseres antallet transportligninger som skal løses sterkt, og reduserer dermed beregningskostnadene betydelig.

Den spesifikke implementeringsprosessen er å konstruere den laminære datatabellen for kjønnslemlestelse basert på blandingsfraksjonen og reaksjonsfremdriftsvariablene, vurdere interaksjonen mellom turbulent forbrenning ved å anta sannsynlighetstetthetsfunksjonsmetoden for å integrere den laminære datatabellen, og dermed oppnå den turbulente datatabellen. I den numeriske beregningen løses transportligningene til blandingsfraksjonen, reaksjonsforløpsvariabler og den tilsvarende variansen, og forbrenningsfeltinformasjonen innhentes ved å spørre den turbulente datatabellen.

Den turbulente forbrenningsmodellen basert på VLES og FGM ble brukt til å utføre numeriske beregninger på metan/luft turbulente jetflammen (Flame D) målt av Sandia-laboratoriet i USA, og det ble gjort kvantitative sammenligninger med de eksperimentelle måledataene. Drivstoffmaterialet i Sandia Flame D-eksemplet (Reynolds nummer er 22400) er en komplett blanding av metan og luft med et volumforhold på 1:3, drivstoffinnløpshastigheten er ca. 49.9 m/s, og våknehastigheten er ca. 11.4 m/s. Vaktflammen er en blanding av brent metan og luft, og våkenmaterialet er ren luft. Beregningen bruker et strukturert rutenett, og totalt antall nett er om lag 1.9 millioner.

Fordelingen av gjennomsnittlig massefraksjon av ulike komponenter langs aksen er vist i figur 5. De horisontale og vertikale koordinatene i figuren er henholdsvis dimensjonsløs avstand (D2 er diameteren på innløpsstrålerøret) og dimensjonsløs massefraksjon. Det kan sees fra figuren at prediksjonen av hovedkomponentene i forbrenningsprosessen ved VLES-metoden generelt er i god overensstemmelse med de eksperimentelle resultatene. Den spredte fordelingen av temperaturen ved forskjellige nedstrømsposisjoner i blandingsfraksjonsrommet er vist i figur 6. Det kan ses av figuren at den spredte distribusjonstrenden som er forutsagt av VLES-metoden i utgangspunktet er i samsvar med forsøksresultatene, og kun den beregnede ekstreme temperaturen er litt høyere enn den eksperimentelle verdien. Fordelingen av den øyeblikkelige virvel-, temperatur- og oppløsningskontrollfunksjonen beregnet av VLES er vist i figur 7, hvor den heltrukne linjen er tatt som Zst=0.351. Det kan ses av figuren at kjernestråleområdet viser sterk turbulent pulsering, og etter hvert som strømningsfeltet utvikler seg nedstrøms, øker skalaen til virvelstrukturen gradvis. Som det fremgår av figur 7 (b) og (c), i de fleste kjemiske reaksjonsområder er oppløsningskontrollfunksjonen mellom 0 og 1, noe som indikerer at den lokale nettoppløsningen kan fange opp storskala turbulens og kun simulere småskala turbulens gjennom modellen. På dette tidspunktet oppfører VLES seg som en omtrentlig løsningsmodus for stor virvelsimulering. I jet shear-laget og den ytre kanten av nedstrømsflammen er oppløsningskontrollfunksjonen nær 1, noe som indikerer at den avkortede filterskalaen til beregningsnettet er større enn den lokale turbulensskalaen. På dette tidspunktet oppfører VLES seg som en ustabil Reynolds gjennomsnittlig løsningsmodus. Oppsummert kan det sees at VLES-metoden kan realisere transformasjonen av flere turbulensløsningsmoduser i henhold til sanntidskarakteristikkene til virvelstrukturens utvikling, og kan nøyaktig forutsi den ustødige forbrenningsprosessen i turbulente flammer.

Stor virvelsimulering av hele forstøvningsprosessen

Det meste av drivstoffet som brukes i forbrenningskammeret til en flymotor er flytende drivstoff. Flytende brensel kommer inn i forbrenningskammeret og gjennomgår primære forstøvnings- og sekundære forstøvningsprosesser. Det er mange vanskeligheter med å simulere den fullstendige forstøvningsprosessen av flytende brensel, inkludert fangst av den gass-væske tofase topologiske grensesnittkonfigurasjonen, væskekolonnedeformasjon og brudd, oppdelingsutviklingen av væskebånd og væskefilamenter til dråper, og samspillet mellom turbulent strømning og dråper. Huang Ziwei [19] utviklet en komplett forstøvningsprosesssimuleringsmodell basert på VLES-metoden kombinert med VOFDPM hybridforstøvningsberegningsmetoden, og realiserte full-prosess numerisk simulering av drivstoffforstøvning fra kontinuerlig væske til diskrete dråper.

En nyutviklet simuleringsmodell for forstøvningsprosess ble brukt til å utføre numeriske beregninger med høy presisjon av den klassiske forstøvningsprosessen for lateral strømningsvæskekolonne, og det ble gjort en detaljert sammenligning med de eksperimentelle resultatene i den åpne litteraturen [20] og beregningsresultatene for simulering av store virvler [21]. I regneeksemplet er gassfasen luft med hastigheter på henholdsvis 77.89 og 110.0 m/s, og væskefasen er flytende vann med en hastighet på 8.6 m/s. De tilsvarende Weber-tallene er henholdsvis 100 og 200. For å bedre simulere den sekundære bruddprosessen, bruker bruddmodellen Kelvin-Helmholtz og Rayleigh-Taylor (KHRT) modellen.

Den fullstendige forstøvningsprosessen forutsagt av VLES under Weber nummer 100-tilstanden er vist i figur 8. Som det kan sees av figuren, dannes et tynt ark av væskekolonne i det innledende området, og deretter brytes væskesøylen i væskebånd og væskefilamenter, og brytes i dråper under påvirkning av aerodynamisk kraft, og dråpene brytes ytterligere opp i mindre dråper. Strømhastigheten og spennvis virvelfordeling beregnet av VLES under Weber nummer 100-betingelsen er vist i figur 9. Som det fremgår av figuren er det en typisk lavhastighets resirkulasjonssone på lesiden av væskekolonnen. Det kan ses fra den øyeblikkelige virvelfordelingen at lesiden av væskesøylen viser en sterk virvelstruktur, og den sterke turbulente bevegelsen i lavhastighets resirkulasjonssonen bidrar til brudd på væskesøylens ark og dannelse av dråper.

Forholdet mellom den initiale strålediameteren og den minste strømningsdimensjonen til væskestrålen når væskesøylen begynner å bryte opp under forskjellige Weber-tall er vist i figur 10. På figuren er di minimum strømningsdimensjonen til væskestrålen når væskekolonnen begynner å bryte opp, og D3 er den initielle væskestrålediameteren. Det kan ses av figuren at VLES-beregningsresultatene stemmer godt overens med de eksperimentelle resultatene, som er bedre enn beregningsresultatene for store virvelsimuleringer i litteraturen [21].

Forbrenningsustabilitet Very Large Eddy Simulering

For å oppfylle kravene til lave utslipp, er sivile flys forbrenningskamre vanligvis utformet med forhåndsblandet eller delvis forhåndsblandet mager forbrenning. Mager forhåndsblandet forbrenning har imidlertid dårlig stabilitet og er tilbøyelig til å begeistre termoakustisk koblede oscillasjonsforbrenningsmoduser, noe som fører til forbrenningsstabilitet. Forbrenningsustabilitet er svært ødeleggende og kan være ledsaget av problemer som tilbakeslag og solid deformasjon, som er et fremtredende problem for utformingen av forbrenningskammeret.

Den numeriske beregningen av forbrenningsustabilitet kan deles inn i to kategorier: avkoblingsmetode og direktekoblingsmetode. Den frakoblede forbrenningsustabilitetsprediksjonsmetoden frakobler ustø forbrenning og akustiske løsninger. Ustabil forbrenning krever et stort antall numeriske beregningsprøver for å bygge en pålitelig flammebeskrivelsesfunksjon. Hvis beregningsmetoden for simulering av store virvler brukes, er forbruket av dataressurser for stort. Direktekoblingsberegningsmetoden er basert på den komprimerbare løsningsmetoden, og oppnår direkte resultatet av forbrenningsustabilitet gjennom høypresisjon ustø beregning, det vil si at koblingsberegningsprosessen for ustabil forbrenning og akustikk under gitte arbeidsforhold fullføres på en gang innenfor samme beregningsramme.

I studiet av numerisk simulering av avkobling av forbrenningsustabilitet, Huang et al. [27] utviklet en beregningsmodell for forbrenningsstabilitet basert på VLES-metoden kombinert med beregningsmetoden for fortykning av flamme, og oppnådde nøyaktig prediksjon av den ustabile forbrenningsprosessen under akustisk eksitasjon. Beregningseksemplet er en stump kropp stasjonær etylen/luft fullstendig ferdigblandet flamme utviklet av Cambridge University, med et ekvivalensforhold på 0.55 og et Reynolds-tall på ca. 17000. Sammenligningen mellom VLES-beregningsresultatene og de eksperimentelle resultatene av de ustødige flammedynamiske karakteristikkene under akustisk eksitasjon er vist i figuren under akustisk eksitasjon12. eksitasjonsprosess ved innløpet, ruller flammen over ved de indre og ytre skjærlagene og utvikler seg til et motroterende virvelpar. I denne prosessen fortsetter utviklingen av den soppformede flammeprofilen å utvikle seg med endringen av fasevinkelen. VLES-beregningsresultatene reproduserer godt flammeutviklingskarakteristikkene observert i eksperimentet. Sammenligningen av amplituden og faseforskjellen til responsen på varmefrigjøringshastigheten under 160 Hz akustisk eksitasjon oppnådd ved forskjellige beregningsmetoder og eksperimentelle målinger er vist i figur 13. I figuren Q' og Q͂ er henholdsvis den pulserende varmefrigjøringen og den gjennomsnittlige varmeavgivelsen ved forbrenning, A er amplituden til sinusformet akustisk eksitasjon, og ordinaten på figur 13 (b) er faseforskjellen mellom det transiente varmefrigjøringssignalet for forbrenning under akustisk eksitasjon og innløpshastighetens eksitasjonssignal. Som det fremgår av figuren, er prediksjonsnøyaktigheten til VLES-metoden sammenlignbar med nøyaktigheten til simulering av store virvler [28], og begge er i god overensstemmelse med de eksperimentelle verdiene. Selv om den ustødige RANS-metoden forutsier trenden med ikke-lineær respons, avviker de beregnede kvantitative resultatene sterkt fra de eksperimentelle verdiene. For faseforskjellsresultatene (Figur 13 (b)), er trenden til faseforskjellen forutsagt av VLES-metoden med forstyrrelsesamplituden i utgangspunktet konsistent med de eksperimentelle resultatene, mens resultatene av simuleringssimulering med store virvler ikke forutsier trenden ovenfor godt.