Postęp badań nad wydajnością aerodynamiczną komory spalania silnika lotniczego w oparciu o symulację dużych wirów

Postęp badań nad wydajnością aerodynamiczną komory spalania silnika lotniczego w oparciu o symulację dużych wirów

Komora spalania jest jednym z głównych elementów silnika lotniczego, a wydajność aerodynamiczna komory spalania odgrywa kluczową rolę w wydajności całego silnika. Aby sprostać coraz bardziej rygorystycznym wymaganiom technicznym silnika dla komory spalania, tryb organizacji spalania i charakterystyki przepływu wewnątrz komory spalania stały się bardzo złożone. Proces zwalniania i zwiększania ciśnienia dyfuzora może napotkać oddzielenie przepływu pod silnym niekorzystnym gradientem ciśnienia; przepływ powietrza przechodzi przez wielostopniowe urządzenie wirowe, aby utworzyć strukturę wirową na dużą skalę, która z jednej strony wspomaga atomizację i odparowywanie paliwa ciekłego i tworzy silnie pulsującą, niestabilną mieszankę z paliwem, a z drugiej strony generuje stacjonarny płomień w strefie recyrkulacji aerodynamicznej; wiele strumieni głównego otworu spalania/mieszania oddziałuje z przepływem bocznym w rurze płomieniowej, tworząc przeciwbieżną parę wirową, która ma istotny wpływ na mieszanie turbulentne. Na podstawie przepływu, wieloskalowe procesy fizyczne i chemiczne, takie jak atomizacja i parowanie, mieszanie, reakcja chemiczna i interakcja między turbulencją a płomieniem są silnie sprzężone, co wspólnie określa właściwości aerodynamiczne komory spalania. Wysokoprecyzyjne modelowanie i obliczanie tych procesów fizycznych i chemicznych zawsze było gorącym tematem badań w kraju i za granicą.

Procesy atomizacji, parowania, mieszania i spalania w komorze spalania rozwijają się i ewoluują w środowisku przepływu turbulentnego, więc przepływ jest podstawą symulacji wydajności aerodynamicznej komory spalania. Podstawową cechą turbulencji jest to, że parametry przepływu wykazują losowe pulsacje z powodu nieliniowego procesu konwekcji. Turbulencja zawiera wiele struktur wirowych. Rozpiętości różnych wirów w skalach długości i czasu są ogromne, a wraz ze wzrostem liczby Reynoldsa rozpiętości między skalami gwałtownie rosną. Zgodnie z proporcją struktur wirowych turbulentnych, które są bezpośrednio rozwiązywane, symulacja turbulencji metody dzielą się na bezpośrednią symulację numeryczną (DNS), uśrednioną przez Reynoldsa symulację Naviera-Stokesa (RANS), symulację dużych wirów (LES) i metody symulacji mieszanej turbulencji. Metoda RANS, która jest szeroko stosowana w inżynierii, rozwiązuje średnie pole turbulentne i wykorzystuje model do symulacji wszystkich informacji o pulsacji turbulentnej. Ilość obliczeń jest niewielka, ale dokładność jest słaba. W przypadku silnych procesów wirowych i niestacjonarnego przepływu w komorze spalania, RANS nie może spełnić wymagań udoskonalonej konstrukcji. Pitsch wskazał, że złożoność obliczeniowa LES mieści się pomiędzy RANS a DNS i jest obecnie stosowana do obliczeń spalania turbulentnego w nieograniczonych przestrzeniach o średnich i niskich liczbach Reynoldsa. Ze względu na małą skalę turbulencji w obszarze przyściennym komory spalania i wysoką liczbę Reynoldsa przepływu, ilość siatek wymaganych do obliczenia LES pojedynczej głowicy samej komory spalania wynosi od setek milionów do miliardów. Tak wysokie zużycie zasobów obliczeniowych ogranicza szerokie zastosowanie LES w symulacjach komór spalania.

Ustanowienie wysoce precyzyjnych modeli obliczeniowych i metod opartych na ramach Very Large Eddy Simulation (VLES) i Hybrid RANS-LES Method jest ważnym trendem w symulacji numerycznej. Metoda VLES opracowana przez Hana i in. rozwiązuje problem niskiej wydajności obliczeniowej spowodowanej filtrowaniem skali siatki i rozwiązywaniem ograniczeń dopasowania skali turbulencji w tradycyjnych LES i realizuje sprzężone modelowanie między wieloskalowymi charakterystykami turbulencji, charakterystykami ewolucji przejściowej i rozdzielczością siatki. VLES adaptacyjnie dostosowuje stosunek między rozwiązaniem turbulencji a modelowaniem modelu w oparciu o charakterystyki ewolucji struktury wirowej w czasie rzeczywistym, znacznie zmniejszając koszty obliczeniowe przy jednoczesnym zapewnieniu dokładności obliczeń.

Niemniej jednak, w porównaniu z tradycyjnymi LES, teoria i charakterystyka VLES nie były szeroko badane i stosowane. Niniejszy artykuł systematycznie wprowadza teorię modelowania VLES i jej skutki zastosowania w różnych scenariuszach fizycznych związanych z komorami spalania, promując szerokie zastosowanie VLES w dziedzinie symulacji komór spalania silników lotniczych.

Metoda symulacji dużych wirów

Wpływ metod symulacji turbulencji na zużycie zasobów obliczeniowych i modele pokazano na rysunku 1. Metody RANS, LES i VLES umożliwiają symulację przepływu poprzez modelowanie turbulencji. Należy zauważyć, że najwcześniejsza jasna definicja VLES została podana przez Pope'a, który odnosi się do „skali siatki obliczeniowej jest zbyt gruba, tak że bezpośrednio rozwiązana energia kinetyczna turbulencji jest mniejsza niż 80% całkowitej energii kinetycznej turbulencji”. Jednocześnie znaczenie LES podane przez Pope'a [6] to „siatka obliczeniowa jest bardzo drobna, tak że bezpośrednio rozwiązana energia kinetyczna turbulencji jest większa niż 80% całkowitej energii kinetycznej turbulencji”. Niemniej jednak należy zauważyć, że VLES przedstawiony w tym artykule jest nową metodą obliczeniową, która została przebudowana i opracowana na podstawie poprzedniej metody. Chociaż nazwy są takie same, nowa metoda VLES zasadniczo różni się od metody VLES zdefiniowanej przez Pope'a. Jak widać na rysunku, tradycyjnymi trybami turbulencji są RANS, URANS, hybrydowy RANS/LES, LES i DNS w kolejności dokładności obliczeń. W ramach nowego modelu tryby turbulencji są podzielone na RANS, VLES i DNS w kolejności dokładności obliczeń. Oznacza to, że metoda VLES realizuje unifikację wielu tradycyjnych trybów turbulencji, a różne modele adaptacyjnie przechodzą i płynnie konwertują zgodnie z lokalnymi cechami w rzeczywistych obliczeniach.

Symulacja typowych procesów fizycznych w komorze spalania

Bardzo duża symulacja wirowa silnego przepływu wirowego

Komora spalania silnika lotniczego zwykle przyjmuje formy organizacji pola przepływu, takie jak wirowanie wielostopniowe i silne wirowanie. Przepływ wirowy jest najbardziej podstawową formą przepływu w komorze spalania. Ponieważ wirowanie dominuje zarówno w kierunku przepływu, jak i w kierunku stycznym, turbulentna pulsacja wirowania ma silniejszą anizotropię niż tradycyjny przepływ rurowy, przepływ kanałowy i przepływ strumieniowy. Dlatego numeryczna symulacja wirowania stanowi duże wyzwanie dla metody symulacji turbulencji. Xia i in. zastosowali metodę VLES do obliczenia klasycznego przykładu silnego przepływu wirowego w rurze; Dellenback i in. [14] przeprowadzili eksperymenty pola przepływu na tym przykładzie i mają szczegółowe dane eksperymentalne. Liczba Reynoldsa przepływu obliczonego przykładu wynosi 1.0×105 (w oparciu o średnicę okrągłej rury), a liczba wirowa wynosi 1.23. W obliczeniach użyto dwóch zestawów siatek strukturalnych. Całkowita liczba siatek rozproszonych (M1) wynosi około 900,000 2, a całkowita liczba siatek zaszyfrowanych (M5.1) wynosi około XNUMX miliona. Wyniki momentów statystycznych uzyskane w obliczeniach są dalej porównywane z wynikami eksperymentalnymi w celu weryfikacji dokładności obliczeń metody VLES.

Porównanie wyników obliczeń różnych metod i wyników eksperymentalnych rozkładu promieniowego średniej prędkości obwodowej i prędkości pulsującej w różnych położeniach w dół strumienia przy silnym przepływie wirowym pokazano na rysunku 4. Na rysunku współrzędne poziome i pionowe to odpowiednio bezwymiarowa odległość i bezwymiarowa prędkość, gdzie D1 jest średnicą wlotowej rury kołowej, a Uin jest średnią prędkością wlotową. Jak widać na rysunku, pole przepływu pokazuje typowy wir złożony typu Rankina stopniowo przechodzący w wir pojedynczego sztywnego ciała. Porównując wyniki obliczeń i eksperymentów, można stwierdzić, że metoda VLES ma wysoką dokładność obliczeń w zakresie przewidywania prędkości obwodowej silnego przepływu wirowego, co jest zgodne z rozkładem pomiarów eksperymentalnych. Tradycyjna metoda RANS ma bardzo duże odchylenie w obliczeniach przepływu wirowego i nie może prawidłowo przewidzieć ewolucji przestrzennej pola przepływu wirowego i pulsacji turbulentnej. W porównaniu z tym metoda VLES ma bardzo wysoką dokładność w przewidywaniu średniego pola prędkości, pulsującego pola prędkości i ewolucji przestrzennej pod złożonym silnym przepływem wirowym i nadal może zagwarantować wysoką dokładność obliczeń nawet przy stosunkowo rzadkiej rozdzielczości siatki. W przypadku przewidywania średniej prędkości obwodowej wyniki obliczeń metody VLES są zasadniczo spójne przy dwóch zestawach rzadkiej i gęstej rozdzielczości siatki.

Symulacja spalania turbulentnego w dużych wirach

Aby zbadać wykonalność metody VLES w przewidywaniu problemów spalania turbulentnego [15-16], opracowano model spalania turbulentnego oparty na metodzie VLES połączonej z kolektorami generowanymi przez płomienice (FGM). Podstawowym założeniem jest założenie, że płomień turbulentny ma lokalnie jednowymiarową laminarną strukturę płomienia, a powierzchnia płomienia turbulentnego jest średnią zespołu szeregu laminarnych powierzchni płomienia. Dlatego przestrzeń składowych o dużej liczbie wymiarów można odwzorować na wzór przepływu o małej liczbie wymiarów składający się z kilku zmiennych charakterystycznych (frakcja mieszanki, zmienna postępu reakcji itp.). Pod warunkiem uwzględnienia szczegółowego mechanizmu reakcji liczba równań transportu do rozwiązania jest znacznie zmniejszona, co znacznie zmniejsza koszt obliczeniowy.

Konkretny proces implementacji polega na skonstruowaniu tabeli danych laminarnych FGM na podstawie zmiennych frakcji mieszanki i postępu reakcji, rozważeniu interakcji między spalaniem turbulentnym poprzez przyjęcie metody funkcji gęstości prawdopodobieństwa w celu zintegrowania tabeli danych laminarnych, a tym samym uzyskaniu tabeli danych turbulentnych. W obliczeniach numerycznych rozwiązywane są równania transportu frakcji mieszanki, zmiennych postępu reakcji i odpowiadającej im wariancji, a informacje o polu spalania są uzyskiwane poprzez zapytanie tabeli danych turbulentnych.

Model spalania turbulentnego oparty na VLES i FGM został użyty do przeprowadzenia obliczeń numerycznych na turbulentnym płomieniu strumieniowym metanu/powietrza (Flame D) zmierzonym przez laboratorium Sandia w Stanach Zjednoczonych, a porównania ilościowe zostały wykonane z danymi z pomiarów eksperymentalnych. Materiał paliwowy przykładu Sandia Flame D (liczba Reynoldsa wynosi 22400) jest całkowitą mieszaniną metanu i powietrza o stosunku objętości 1:3, prędkość wlotu paliwa wynosi około 49.9 m/s, a prędkość śladu około 11.4 m/s. Płomień roboczy jest mieszaniną spalonego metanu i powietrza, a materiał śladu to czyste powietrze. Obliczenia wykorzystują ustrukturyzowaną siatkę, a całkowita liczba siatek wynosi około 1.9 miliona.

Rozkład średniej frakcji masowej różnych składników wzdłuż osi pokazano na rysunku 5. Współrzędne poziome i pionowe na rysunku to bezwymiarowa odległość (D2 to średnica rury wlotowej strumienia) i bezwymiarowa frakcja masowa. Z rysunku widać, że przewidywanie głównych składników procesu spalania metodą VLES jest generalnie zgodne z wynikami eksperymentów. Rozproszony rozkład temperatury w różnych pozycjach w dół strumienia w przestrzeni frakcji mieszanki pokazano na rysunku 6. Z rysunku widać, że rozproszony trend rozkładu przewidywany metodą VLES jest zasadniczo zgodny z wynikami eksperymentów, a jedynie obliczona wartość ekstremalna temperatury jest nieznacznie wyższa od wartości eksperymentalnej. Rozkład chwilowej wirowości, temperatury i funkcji sterowania rozdzielczością obliczony przez VLES pokazano na rysunku 7, gdzie linia ciągła jest przyjęta jako Zst = 0.351. Z rysunku widać, że obszar strumienia rdzenia wykazuje silne turbulentne pulsacje, a wraz z rozwojem pola przepływu w dół strumienia skala struktury wirowej stopniowo wzrasta. Jak widać na Rysunku 7 (b) i (c), w większości obszarów reakcji chemicznych funkcja kontroli rozdzielczości mieści się w zakresie od 0 do 1, co wskazuje, że lokalna rozdzielczość siatki może uchwycić turbulencje na dużą skalę i symulować tylko turbulencje na małą skalę w modelu. W tym momencie VLES zachowuje się jak przybliżony tryb rozwiązania symulacji dużych wirów. W warstwie ścinania strumieniowego i zewnętrznej krawędzi płomienia w dół strumienia funkcja kontroli rozdzielczości jest bliska 1, co wskazuje, że skala obciętego filtra siatki obliczeniowej jest większa niż skala lokalnej turbulencji. W tym momencie VLES zachowuje się jak niestacjonarny tryb rozwiązania średniej Reynoldsa. Podsumowując, można zauważyć, że metoda VLES może realizować transformację wielu trybów rozwiązania turbulencji zgodnie z charakterystyką ewolucji struktury wirowej w czasie rzeczywistym i może dokładnie przewidywać niestacjonarny proces spalania w płomieniach turbulentnych.

Duża symulacja wirowa całego procesu atomizacji

Większość paliwa używanego w komorze spalania silnika samolotu to paliwo ciekłe. Paliwo ciekłe trafia do komory spalania i przechodzi przez procesy pierwotnego i wtórnego rozpylania. Istnieje wiele trudności w symulacji kompletnego procesu rozpylania paliwa ciekłego, w tym przechwytywanie konfiguracji topologicznego interfejsu dwufazowego gaz-ciecz, odkształcenie i pęknięcie kolumny cieczy, ewolucję rozpadu pasm cieczy i włókien cieczy na krople oraz interakcję między przepływem turbulentnym a kroplami. Huang Ziwei [19] opracował kompletny model symulacji procesu rozpylania oparty na metodzie VLES połączonej z hybrydową metodą obliczeń rozpylania VOFDPM, realizując pełną symulację numeryczną procesu rozpylania paliwa od ciągłej cieczy do dyskretnych kropel.

Nowo opracowany model symulacji procesu atomizacji został użyty do przeprowadzenia wysoce precyzyjnych obliczeń numerycznych klasycznego procesu atomizacji kolumny cieczy z przepływem bocznym, a szczegółowe porównanie zostało wykonane z wynikami eksperymentów w otwartej literaturze [20] i wynikami obliczeń symulacji dużych wirów [21]. W przykładzie obliczeniowym fazą gazową jest powietrze o prędkościach odpowiednio 77.89 i 110.0 m/s, a fazą ciekłą jest ciekła woda o prędkości 8.6 m/s. Odpowiednie liczby Webera wynoszą odpowiednio 100 i 200. Aby lepiej symulować proces wtórnego rozpadu, model rozpadu przyjmuje model Kelvina-Helmholtza i Rayleigha-Taylora (KHRT).

Całkowity proces atomizacji przewidziany przez VLES w warunkach liczby Webera 100 pokazano na rysunku 8. Jak widać na rysunku, cienka warstwa kolumny cieczy tworzy się w obszarze początkowym, a następnie kolumna cieczy rozpada się na pasma cieczy i włókna cieczy oraz rozpada się na kropelki pod wpływem siły aerodynamicznej, a kropelki są dalej rozbijane na mniejsze kropelki poprzez wtórne rozbicie. Prędkość strumienia i rozkład wirowości wzdłuż rozpiętości obliczone przez VLES w warunkach liczby Webera 100 pokazano na rysunku 9. Jak widać na rysunku, po zawietrznej stronie kolumny cieczy występuje typowa strefa recyrkulacji niskiej prędkości. Z rozkładu chwilowej wirowości można wywnioskować, że zawietrzna strona kolumny cieczy wykazuje silną strukturę wirową, a silny ruch turbulentny w strefie recyrkulacji niskiej prędkości przyczynia się do pęknięcia warstwy kolumny cieczy i tworzenia kropelek.

Stosunek początkowej średnicy strumienia do minimalnego wymiaru przepływu strumienia cieczy, gdy kolumna cieczy zaczyna się rozpadać przy różnych liczbach Webera, pokazano na rysunku 10. Na rysunku di jest minimalnym wymiarem przepływu strumienia cieczy, gdy kolumna cieczy zaczyna się rozpadać, a D3 jest początkową średnicą strumienia cieczy. Z rysunku widać, że wyniki obliczeń VLES są zgodne z wynikami eksperymentalnymi, które są lepsze niż wyniki obliczeń symulacji dużych wirów w literaturze [21].

Symulacja niestabilności spalania, bardzo duże wiry

Aby spełnić wymagania niskiej emisji, komory spalania samolotów cywilnych są zwykle projektowane z wykorzystaniem spalania ubogiego wstępnie zmieszanego lub częściowo wstępnie zmieszanego. Jednak spalanie ubogie wstępnie zmieszane ma słabą stabilność i jest podatne na wzbudzanie termoakustycznych sprzężonych oscylacji trybów spalania, co prowadzi do niestabilności spalania. Niestabilność spalania jest wysoce destrukcyjna i może jej towarzyszyć problem, taki jak cofanie się płomienia i deformacja ciała stałego, co jest głównym problemem, z którym boryka się konstrukcja komory spalania.

Numeryczne obliczenia niestabilności spalania można podzielić na dwie kategorie: metodę rozdzielania i metodę bezpośredniego sprzężenia. Metoda przewidywania niestabilności spalania rozdziela niestabilne spalanie i rozwiązania akustyczne. Niestabilne spalanie wymaga dużej liczby próbek obliczeń numerycznych w celu zbudowania niezawodnej funkcji opisu płomienia. Jeśli używana jest metoda obliczeń symulacji dużych wirów, jej zużycie zasobów obliczeniowych jest zbyt duże. Metoda obliczeń bezpośredniego sprzężenia opiera się na metodzie rozwiązania ściśliwego i bezpośrednio uzyskuje wynik niestabilności spalania poprzez wysoce precyzyjne obliczenia niestabilne, to znaczy proces sprzężenia obliczeń niestabilnego spalania i akustyki w danych warunkach pracy jest wykonywany w tym samym czasie w ramach tych samych ram obliczeniowych.

W badaniu numerycznej symulacji odsprzęgania niestabilności spalania Huang i in. [27] opracowali model obliczeniowy niestabilności spalania oparty na metodzie VLES połączonej z metodą obliczeniową zagęszczającego płomienia i osiągnęli dokładną prognozę niestacjonarnego procesu spalania pod wpływem wzbudzenia akustycznego. Przykładem obliczeń jest tępy, stacjonarny płomień etylenu/powietrza w pełni wstępnie wymieszany opracowany przez Uniwersytet Cambridge, ze współczynnikiem równoważności 0.55 i liczbą Reynoldsa około 17000. Porównanie wyników obliczeń VLES z wynikami eksperymentalnymi niestacjonarnych charakterystyk dynamicznych płomienia pod wpływem wzbudzenia akustycznego pokazano na rysunku 12. Z rysunku widać, że podczas procesu wzbudzenia wlotowego płomień przewraca się na wewnętrznej i zewnętrznej warstwie ścinającej i ewoluuje w przeciwbieżnie obracającą się parę wirową. W tym procesie ewolucja profilu płomienia w kształcie grzyba rozwija się wraz ze zmianą kąta fazowego. Wyniki obliczeń VLES dobrze odtwarzają charakterystyki ewolucji płomienia zaobserwowane w eksperymencie. Porównanie amplitudy i różnicy faz odpowiedzi szybkości uwalniania ciepła przy wzbudzeniu akustycznym o częstotliwości 160 Hz, uzyskane różnymi metodami obliczeniowymi i pomiarami eksperymentalnymi, pokazano na rysunku 13. Na rysunku Q' i Q͂ są odpowiednio pulsującym wydzielaniem ciepła i średnim wydzielaniem ciepła spalania, A jest amplitudą sinusoidalnego wzbudzenia akustycznego, a rzędna na Rysunku 13 (b) jest różnicą faz między przejściowym sygnałem wydzielania ciepła spalania pod wpływem wzbudzenia akustycznego a sygnałem wzbudzenia prędkości wlotowej. Jak widać na rysunku, dokładność przewidywania metody VLES jest porównywalna z dokładnością symulacji dużych wirów [28], a obie są w dobrej zgodności z wartościami eksperymentalnymi. Chociaż niestacjonarna metoda RANS przewiduje trend odpowiedzi nieliniowej, obliczone wyniki ilościowe znacznie odbiegają od wartości eksperymentalnych. W przypadku wyników różnicy faz (Rysunek 13 (b)) trend różnicy faz przewidywany metodą VLES z amplitudą zaburzenia jest zasadniczo zgodny z wynikami eksperymentalnymi, podczas gdy wyniki symulacji dużych wirów nie przewidują dobrze powyższego trendu.