Postępy badań nad wydajnością aerodynamiczną komory spalania silnika lotniczego na podstawie dużej symulacji wirów

Postępy badań nad wydajnością aerodynamiczną komory spalania silnika lotniczego na podstawie dużej symulacji wirów

Komora spalania jest jedną z podstawowych części silnika lotniczego, a aerodynamiczna wydajność komory spalania odgrywa kluczową rolę w wydajności całego silnika. Aby spełnić coraz surowsze wymagania techniczne silników dotyczące komory spalania, sposób organizacji spalania i charakterystyki przepływu wewnątrz komory spalania stały się bardzo złożone. Proces zwalniania i wzrostu ciśnienia dyfuzora może napotkać oddzielenie przepływu przy silnym niekorzystnym gradientzie ciśnienia; przepływ powietrza przechodzi przez wielostopniowe urządzenie wirujące, tworząc dużą wirującą strukturę, która z jednej strony promuje rozpylanie i parowanie paliwa ciekłego oraz tworzy silnie pulsujący, niestabilny mieszanek z paliwem, a z drugiej strony generuje nieruchome płomienie w strefie aerodynamicznego recyklingu; wiele strumieni z głównej dziury spalania/mieszania oddziałuje z bocznym przepływem w rurze płomieniowej, tworząc parę wirów wirujących w przeciwnych kierunkach, co ma istotny wpływ na turbulentne mieszanie. Na podstawie przepływu, wielkoskalowe procesy fizyczno-chemiczne, takie jak rozpylanie i parowanie, mieszanie, reakcje chemiczne oraz interakcja między turbulencją a płomieniem są mocno sprzężone, wspólne określając aerodynamiczne właściwości komory spalania. Wysoko precyzyjne modelowanie i obliczanie tych procesów fizycznych i chemicznych zawsze było popularnym tematem badań zarówno w kraju, jak i za granicą.

Procesy atomizacji, parowania, mieszania i spalania w komorze spalania rozwijają się i ewoluują w środowisku turbulentnego przepływu, dlatego przepływ stanowi podstawę do symulacji aerodynamicznych właściwości komory spalania. Podstawową cechą turbulencji jest to, że parametry przepływu wykazują losowe drgania wynikające z procesu nieliniowej konwekcji. Turbulencja zawiera wiele struktur wirowych. Rozmiary różnych wirów w skali długości i czasu są ogromne, a w miarę zwiększania się liczby Reynoldsa, rozpiętość między skalami gwałtownie wzrasta. Zgodnie z proporcją bezpośrednio rozwiązanych struktur wirowych turbulencji, symulacja turbulencji  metody dzielą się na bezpośrednią numeryczną symulację (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), dużych wirów symulację (LES) i mieszane metody symulacji turbulencji. Metoda RANS, która jest powszechnie stosowana w inżynierii, rozwiązuje średnie pole turbulentne i używa modelu do symulacji całej informacji o pulsacjach turbulentnych. Objętość obliczeń jest mała, ale dokładność jest słaba. Dla silnego wirowania i niestabilnych procesów przepływowych w komorze spalania, RANS nie może spełniać wymagańprecyzyjnego projektu. Pitsch wskazał, że złożoność obliczeniowa LES znajduje się między RANS a DNS, i obecnie jest stosowana do obliczeń turbulentnego spalania w przestrzeniach bez ograniczeń o średnich i niskich liczbach Reynoldsa. Ze względu na małą skalę turbulencji w obszarze bliskim ścianom komory spalania oraz wysoką liczbę Reynoldsa przepływu, liczba siatek potrzebna dla obliczeń LES jednej głowy komory spalania wynosi setki milionów do miliarda. Taka duża konsumpcja zasobów obliczeniowych ogranicza szerokie zastosowanie LES w symulacjach komór spalania.

Ustanowienie modeli i metod obliczeń o wysokim stopniu dokładności na podstawie bardzo dużych symulacji wirów (VLES) oraz ramy metody hibrydowej RANS-LES jest ważnym trendem w symulacji numerycznej. Metoda VLES opracowana przez Hana i innych rozwiązuje problem niskiej efektywności obliczeniowej spowodowany dopasowaniem filtru siatki do skali turbulencji w tradycyjnej LES, realizując modelowanie sprzężenia między wieloskalowymi cechami turbulencji, chwilowymi ewolucjami i rozdzielczością siatki. VLES adaptacyjnie dostosowuje stosunek między rozwiązaniem turbulencji a modelowaniem na podstawie rzeczywistych cech ewolucji struktury wirów, co znacząco obniża koszty obliczeniowe, jednocześnie gwarantując dokładność obliczeń.

Niezetheless, w porównaniu z tradycyjnym LES, teoria i cechy VLES nie zostały szeroko badane i wykorzystywane. W niniejszym artykule systematycznie przedstawiono teorię modelowania VLES oraz jej efekty zastosowań w różnych sytuacjach fizycznych związanych z komorami spalania, promując szeroką aplikację VLES w dziedzinie symulacji komór spalania silników lotniczych.

Metoda Symulacji Wielkich Wirów

Wpływ metod symulacji turbulencji na zużycie zasobów obliczeniowych i modeli przedstawiono na Rysunku 1. Metody RANS, LES i VLES realizują symulację przepływu za pomocą modelowania turbulencji. Należy zauważyć, że najwcześniejszą jasną definicję VLES podał Pope, który odnosi się do "skali siatki obliczeniowej, która jest zbyt gruba, aby energia kinetyczna turbulencji bezpośrednio rozwiązana wynosiła mniej niż 80% całkowitej energii kinetycznej turbulencji". W tym samym czasie znaczenie LES podane przez Pope’a [6] to "siatka obliczeniowa jest bardzo drobna, tak że energia kinetyczna turbulencji bezpośrednio rozwiązana wynosi więcej niż 80% całkowitej energii kinetycznej turbulencji". Mimo to należy zauważyć, że VLES wprowadzona w tym artykule to nowa metoda obliczeniowa, która została przemodelowana i rozwinięta na podstawie poprzedniej metody. Choć nazwy są takie same, nowa metoda VLES różni się istotnie od metody VLES zdefiniowanej przez Pope’a. Jak można zauważyć na rysunku, tradycyjne tryby turbulencji to kolejno RANS, URANS, hybrydowy RANS/LES, LES i DNS według dokładności obliczeń. W ramach nowego ramienia modelowego tryby turbulencji dzielą się na RANS, VLES i DNS według dokładności obliczeń. Innymi słowy, metoda VLES realizuje unifikację wielu tradycyjnych trybów turbulencji, a różne modele adaptacyjnie przechodzą i konwertują się płynnie w zależności od lokalnych cech w rzeczywistych obliczeniach.

Symulacja typowych procesów fizycznych w komorze spalania

Bardzo Duża Symulacja Wiru Swirlingowego

Komora spalania silnika lotniczego zwykle przyjmuje formy organizacji pola przepływu, takie jak wielostopniowe wirowanie i silne wirowanie. Wirujący przepływ jest podstawową formą przepływu w komorze spalania. Ponieważ wirowanie dominuje zarówno w kierunku przepływu, jak i stycznym, turbulentne drgania wirujące mają większą anizotropię niż tradycyjny przepływ ruroczkowy, przepływ kanałowy i przepływ strumieniowy. Dlatego numeryczna symulacja wiru stanowi wielkie wyzwanie dla metod symulacji turbulencji. Xia i inni użyli metody VLES do obliczeń klasycznego przykładu silnego wiru swirlingowego w rurze; Dellenback i inni [14] przeprowadzili eksperymenty z polem przepływu na tym przykładzie i mają szczegółowe dane eksperymentalne. Liczba Reynoldsa przepływu w obliczanym przykładzie wynosi 1.0 × 105 (oparte na średnicy rurociągu kołowego) oraz liczba wirów wynosi 1.23. W obliczeniach użyto dwóch zestawów strukturalnych siatek. Całkowita liczba rzadkich siatek (M1) wynosi około 900 000, a całkowita liczba zaszyfrowanych siatek (M2) wynosi około 5,1 miliona. Wyniki momentów statystycznych uzyskane w wyniku obliczeń porównano dalej z wynikami eksperymentalnymi, aby zweryfikować dokładność obliczeń metody VLES.

Porównanie wyników obliczeń różnych metod oraz wyników eksperymentalnych radialnego rozkładu średniej prędkości obwodowej i pulsującej prędkości w różnych pozycjach w dółstrumieniu przy silnym wirującym przepływie przedstawiono na Rysunku 4. Na rysunku osie pozioma i pionowa to bezwymiarowa odległość i bezwymiarowa prędkość, odpowiednio, gdzie D1 to średnica wejściowego rurociągu, a Uin to średnia prędkość wejściowa. Jak można zauważyć na rysunku, pole przepływu pokazuje typowy wir Rankina stopniowo przechodzący w pojedynczy wir bryły sztywnej. Porównując wyniki obliczeń z wynikami eksperymentalnymi, stwierdza się, że metoda VLES oferuje wysoką dokładność obliczeń w predykcji prędkości obwodowej silnie wirującego przepływu, co dobrze zgadza się z dystrybucją pomiarów eksperymentalnych. Tradycyjna metoda RANS ma bardzo duży błąd w obliczeniach wirującego przepływu i nie może poprawnie przewidzieć przestrzennego ewolucji pola wirującego i turbulentnych pulsacji. W porównaniu, metoda VLES charakteryzuje się bardzo wysoką dokładnością w predykcji pola średniej prędkości, pola pulsującej prędkości i przestrzennego ewolucji podczas złożonego silnie wirującego przepływu, a nawet może zapewnić wysoką dokładność obliczeń przy względnie rzadszym rozdzielczości siatki. W przypadku predykcji średniej prędkości obwodowej, wyniki obliczeń metody VLES są zasadniczo zgodne dla dwóch zestawów różniących się rozdzielczością siatki - zarówno rzadszej jak i gęstszej.

Symulacja Wielkich Wirów Turbulentnego Spalania

Aby zbadać możliwość zastosowania metody VLES w przewidywaniu problemów turbulentnego spalania [15-16], opracowano model spalania turbulentnego oparty na metodzie VLES połączonyj z powierzchniami generowanymi płomieniem (FGM). Podstawowa idea polega na założeniu, że płomień turbulentny ma lokalnie strukturę płomienia laminarnego jednowymiarowego, a powierzchnia płomienia turbulentnego jest średniąансensem szeregu powierzchni płomieni laminarnych. W związku z tym przestrzeń wielowymiarowych składników może zostać odwzorowana na wzorzec przepływu niskowymiarowy składający się z kilku zmiennych charakterystycznych (ułamek mieszaniny, zmienna postępu reakcji itp.). W warunkach uwzględnienia szczegółowego mechanizmu reakcji, liczba równań transportowych do rozwiązania jest znacznie zmniejszona, co znacząco obniża koszty obliczeniowe.

Konkretny proces realizacji polega na skonstruowaniu tabeli laminarnej danych FGM na podstawie ułamka mieszaniny i zmiennych postępu reakcji, uwzględniając interakcję między spalaniem turbulentnym poprzez założenie metody funkcji gęstości prawdopodobieństwa do zintegrowania tabeli laminarnej, a następnie uzyskania tabeli danych turbulentnych. W obliczeniach numerycznych rozwiązane są równania transportowe ułamka mieszaniny, zmiennych postępu reakcji oraz odpowiadających im wariancji, a informacje o polu spalania są uzyskiwane przez zapytanie tabeli danych turbulentnych.

Model burzliwego spalania oparty na VLES i FGM został wykorzystany do przeprowadzenia obliczeń numerycznych dla turbulentnego płomienia strumienia metanu/powietrza (Flame D) pomieranego przez laboratorium Sandia w Stanach Zjednoczonych, a następnie wykonano ilościowe porównania z danymi pomiarowymi eksperymentalnymi. Materiał paliwowy przykładu Sandia Flame D (liczba Reynolds wynosi 22400) to pełna mieszanina metanu i powietrza w stosunku objętościowym 1:3, prędkość dopływu paliwa wynosi około 49,9 m/s, a prędkość śladu około 11,4 m/s. Płomień funkcjonalny to mieszanina spalonego metanu i powietrza, a materiał śladu to czyste powietrze. Obliczenia wykorzystują siatkę strukturalną, a całkowita liczba siatek wynosi około 1,9 miliona.

Rozkład średniej masowej frakcji różnych składników wzdłuż osi jest przedstawiony na Rysunku 5. Współrzędne poziome i pionowe na rysunku to bezwymiarowa odległość (D2 to średnica wejściowego rurociągu) oraz bezwymiarowa masa, odpowiednio. Z rysunku wynika, że przewidywanie głównych składników procesu spalania metodą VLES ogólnie dobrze zgadza się z wynikami eksperymentalnymi. Rozproszenie temperatury w różnych pozycjach dółstrumieniowych w przestrzeni mieszającej frakcji jest pokazane na Rysunku 6. Widoczne jest z rysunku, że trend rozproszenia przewidywanego przez metodę VLES jest podstawowo zgodny z wynikami eksperymentu, a jedynie obliczona ekstremalna wartość temperatury jest nieco wyższa niż wartość eksperymentalna. Rozkład natychmiastowej wirówki, temperatury i funkcji kontroli rozdzielczości obliczonej metodą VLES jest przedstawiony na Rysunku 7, gdzie linia ciągła odpowiada Zst=0.351. Z rysunku wynika, że obszar rdzenia strumienia wykazuje silne turbulentne pulsacje, a w miarę rozwoju pola przepływu w kierunku dółstrumieniowym, skala struktury wirów stopniowo rośnie. Jak widać z Rysunku 7 (b) i (c), w większości obszarów reakcji chemicznej, funkcja kontroli rozdzielczości mieści się między 0 a 1, co oznacza, że lokalna siatka może przechwytywać dużą skalę turbulencji i symulować tylko małą skalę turbulencji za pomocą modelu. W tym momencie VLES zachowuje się jak tryb rozwiązania aproksymacyjnej symulacji wielkich wirów. W warstwie cięcia strumienia i na zewnętrznych krawędziach płomienia dółstrumieniowego, funkcja kontroli rozdzielczości jest bliska 1, co oznacza, że skala filtru obciętego siatki obliczeniowej jest większa niż lokalna skala turbulencji. W tym momencie VLES zachowuje się jako tryb rozwiązania uśrednionego nieustalonego metody Reynolds. Podsumowując, można zauważyć, że metoda VLES może realizować transformację wielu trybów rozwiązania turbulencji zgodnie z rzeczywistymi cechami ewolucji struktury wirów, a także precyzyjnie przewidywać niestabilny proces spalania w płomieniach turbulentnych.

Symulacja dużych wirów procesu pełnej atomizacji

Większość paliwa używanego w komorze spalania silnika lotniczego to paliwo ciekawe. Paliwo ciekawe wpływa do komory spalania i przechodzi procesy podstawowej i wtórnej atomizacji. Istnieje wiele trudności w symulowaniu całego procesu atomizacji paliwa ciekawego, w tym rejestrowanie konfiguracji topologicznej powierzchni granicznej faz gazowo-ciekłej, deformacji i rozrywania kolumny ciekłej, ewolucji rozpadu pasm i nici ciekłych na krople oraz interakcji między przepływem turbulentnym a kroplami. Huang Ziwei [19] opracował model symulacji pełnego procesu atomizacji oparty na metodzie VLES połączonych z hybrydową metodą obliczeniową VOF-DPM, realizując numeryczną symulację pełnego procesu atomizacji paliwa od cieczy ciągłej do dyskretnych kropel.

Nowo opracowany model symulacji procesu atomizacji został użyty do przeprowadzenia wysoce precyzyjnych obliczeń numerycznych klasycznego procesu atomizacji strumienia cieczy w przepływie bocznym, a następnie dokonano szczegółowego porównania z wynikami eksperymentalnymi podanymi w otwartej literaturze [20] oraz z wynikami obliczeń z symulacji wielkich wirów [21]. W przykładzie obliczeniowym faza gazowa to powietrze poruszające się z prędkościami odpowiednio 77,89 i 110,0 m/s, zaś faza ciekła to woda w stanie ciekim z prędkością 8,6 m/s. Odpowiadające im liczby Webera wynoszą odpowiednio 100 i 200. Aby lepiej symulować proces drugorzędnej rozpraszania, model rozpraszania używa modelu Kelvina-Helmholtza i Rayleigha-Taylora (KHRT).

Pełen proces atomizacji przewidziany przez VLES przy warunku liczby Webera 100 jest przedstawiony na Rysunku 8. Jak można zauważyć na rysunku, w obszarze początkowym powstaje cienka warstwa kolumny cieczy, która następnie rozpryskuje się na pasma i nici cieczy, a pod wpływem siły aerodynamicznej rozpryskuje się na krople, które dalej są dzielone na mniejsze krople poprzez drugorzędne rozpryskiwanie. Rozkład prędkości strumienia i wirów w kierunku poprzecznym obliczony przez VLES przy warunku liczby Webera 100 jest przedstawiony na Rysunku 9. Jak wynika z rysunku, istnieje typowa strefa wolnoczesnego przepływu na stronie odwrotnej względem kolumny cieczy. Na podstawie natychmiastowego rozkładu wirów można zaobserwować silną strukturę wirującą po stronie odwrotnej kolumny cieczy, a intensywne ruchy turbulentne w strefie wolnoczesnego przepływu przyczyniają się do pęknięcia arkusza kolumny cieczy i tworzenia kropel.

Stosunek średnicy początkowej strumienia do minimalnej wymiary przepływu cieczowego strumienia, gdy kolumna cieczy zaczyna się rozkładać przy różnych liczbach Webera jest przedstawiony na rysunku 10. Na rysunku di to minimalna wymiarowość przepływu cieczowego strumienia, gdy kolumna cieczy zaczyna się rozkładać, a D3 to średnica początkowa cieczowego strumienia. Z rysunku wynika, że wyniki obliczeń VLES dobrze zgadzają się z wynikami eksperymentalnymi, które są lepsze niż wyniki obliczeń symulacji wielkich wirów podanych w literaturze [21].

Niestabilność spalania - bardzo duża symulacja wirów

Aby spełnić wymagania dotyczące niskich emisji, komory spalania samolotów cywilnych są zwykle projektowane z wykorzystaniem spalania wstępnego mieszania lub częściowo wstępnego mieszania o niskim stopniu. Jednakże, spalanie z wstępnym mieszaniem o niskim stopniu ma słabszą stabilność i jest podatne na pobudzanie trybów spalania sprzężonych termoakustycznie, co prowadzi do niestabilności spalania. Niestabilność spalania jest bardzo niszczycielska i może być towarzyszym problemom takim jak cofnięcie się płomienia (flashback) i deformacja materiału, co stanowi istotny problem przedstawiający się w projekcie komory spalania.

Obliczanie numeryczne niestabilności spalania można podzielić na dwie kategorie: metodę rozłączania i bezpośrednią metodę sprzężenia. Metoda przewidywania niestabilności spalania z rozłącznikiem rozłącza nieustalone rozwiązania spalania i akustyczne. Nieustalone spalanie wymaga dużej liczby próbek obliczeń numerycznych, aby utworzyć wiarygodną funkcję opisu płomienia. Jeśli wykorzystuje się metodę symulacji wielkich wirów, zużycie zasobów obliczeniowych jest zbyt duże. bezpośrednią metodę obliczeń sprzężonych opiera się na metodzie rozwiązywania sprężystego i bezpośrednio otrzymuje wynik niestabilności spalania za pomocą precyzyjnych obliczeń nieustalonych, czyli proces obliczeń sprzężonych między nieustalonym spalaniem i akustyką w określonych warunkach pracy jest ukończony jednorazowo w ramach tego samego frameworku obliczeniowego.

W badaniach symulacji numerycznej dekuplingu niestabilności spalania, Huang i inni [27] opracowali model obliczeniowy niestabilności spalania oparty na metodzie VLES połączonyj z grubszą metodą obliczeń płomienia, co umożliwiło dokładne przewidywanie procesu niestabilnego spalania pod wpływem akustycznego pobudzenia. Przykład obliczeń to nieruchomy płomień etylenu/powietrza w pełni wstępnie zmieszany, rozwijany przez Uniwersytet w Cambridge, z współczynnikiem równoważności 0.55 i liczbą Reynoldsa około 17000. Porównanie wyników obliczeń VLES z wynikami eksperymentalnymi niestabilnych cech dynamicznych płomienia pod wpływem akustycznego pobudzenia przedstawiono na Rysunku 12. Widoczne jest z tego rysunku, że w trakcie procesu pobudzania wejściowego płomień się przewraca na warstwach wewnętrznego i zewnętrznego cięcia i ewoluuje w parę wirów obracających się w przeciwnych kierunkach. W tym procesie ewolucja profilu płomienia w kształcie grzyba kontynuuje się wraz ze zmianą kąta fazowego. Wyniki obliczeń VLES dobrze reprodukują cechy ewolucji płomienia zaobserwowane w doświadczeniu. Porównanie amplitudy i różnicy fazowej odpowiedzi tempa uwolnienia ciepła przy akustycznym pobudzeniu o częstotliwości 160 Hz uzyskanych różnymi metodami obliczeniowymi i pomiarami eksperymentalnymi przedstawiono na Rysunku 13. Na rysunku Q' i Q ͂ to odpowiednio pulsujące i średnie wydzielanie ciepła podczas spalania, A to amplituda sinusoidalnego pobudzenia akustycznego, a osь OY na rysunku 13 (b) to różnica faz między przelotowym sygnałem wydzielania ciepła spalania przy pobudzeniu akustycznym a sygnałem pobudzenia prędkości wejściowej. Jak wynika z rysunku, dokładność predykcji metody VLES porównywalna jest z dokładnością symulacji dużych wirów [28], a obie są dobrze zgodne z wartościami eksperymentalnymi. Pomimo że metoda nieustalonego RANS przewiduje trend nieliniowej odpowiedzi, obliczone wyniki ilościowe odstają znacznie od wartości eksperymentalnych. W przypadku wyników różnicy faz (rysunek 13 (b)), trend różnicy fazy przewidywany przez metodę VLES w zależności od amplitudy zaburzeń jest w zasadzie zgodny z wynikami eksperymentalnymi, podczas gdy wyniki symulacji dużych wirów nie przewidują powyższego trendu dobrze.