Progresso da pesquisa sobre desempenho aerodinâmico da câmara de combustão de motores de aeronaves com base em simulação de grandes redemoinhos

Progresso da pesquisa sobre desempenho aerodinâmico da câmara de combustão de motores de aeronaves com base em simulação de grandes redemoinhos

A câmara de combustão é um dos principais componentes de um motor de aeronave, e o desempenho aerodinâmico da câmara de combustão desempenha um papel vital no desempenho de todo o motor. Para atender aos requisitos técnicos cada vez mais rigorosos do motor para a câmara de combustão, o modo de organização da combustão e as características de fluxo dentro da câmara de combustão tornaram-se muito complexos. O processo de desaceleração e pressurização do difusor pode enfrentar separação de fluxo sob um forte gradiente de pressão adverso; o fluxo de ar passa por um dispositivo de redemoinho de vários estágios para formar uma estrutura de vórtice em larga escala, que por um lado promove a atomização e evaporação do combustível líquido e forma uma mistura fortemente pulsante e instável com o combustível e, por outro lado, gera uma chama estacionária na zona de recirculação aerodinâmica; os múltiplos jatos do orifício principal de combustão/mistura interagem com o fluxo lateral no tubo de chama para formar um par de vórtices contrarrotativos, que tem uma influência importante na mistura turbulenta. Com base no fluxo, processos físicos e químicos multiescala, como atomização e evaporação, mistura, reação química e interação entre turbulência e chama são fortemente acoplados, o que determina conjuntamente as características aerodinâmicas da câmara de combustão. A modelagem e o cálculo de alta precisão desses processos físicos e químicos sempre foram um tópico quente de pesquisa no país e no exterior.

Os processos de atomização, evaporação, mistura e combustão na câmara de combustão se desenvolvem e evoluem em um ambiente de fluxo turbulento, então o fluxo é a base para a simulação do desempenho aerodinâmico da câmara de combustão. A característica básica da turbulência é que os parâmetros de fluxo mostram pulsação aleatória devido ao processo de convecção não linear. A turbulência contém muitas estruturas de vórtice. Os intervalos de diferentes vórtices em escalas de comprimento e tempo são enormes e, à medida que o número de Reynolds aumenta, os intervalos entre as escalas aumentam acentuadamente. De acordo com a proporção de estruturas de vórtice turbulentas que são resolvidas diretamente, a simulação de turbulência Os métodos são divididos em simulação numérica direta (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), simulação de grandes redemoinhos (LES) e métodos de simulação de turbulência mista. O método RANS, que é amplamente usado em engenharia, resolve o campo médio turbulento e usa um modelo para simular todas as informações de pulsação turbulenta. A quantidade de cálculo é pequena, mas a precisão é baixa. Para processos de fluxo forte e instável na câmara de combustão, o RANS não pode atender aos requisitos de design refinado. Pitsch destacou que a complexidade computacional do LES está entre RANS e DNS, e é atualmente usado para cálculos de combustão turbulenta em espaços irrestritos com números de Reynolds médios e baixos. Devido à pequena escala de turbulência na área próxima à parede da câmara de combustão e ao alto número de Reynolds do fluxo, a quantidade de grades necessárias para o cálculo de LES de uma única cabeça da câmara de combustão sozinha está na casa das centenas de milhões a bilhões. Esse alto consumo de recursos computacionais limita o uso generalizado de LES em simulações de câmara de combustão.

O estabelecimento de modelos e métodos de cálculo de alta precisão com base nas estruturas Very Large Eddy Simulation (VLES) e Hybrid RANS-LES Method é uma tendência importante na simulação numérica. O método VLES desenvolvido por Han et al. resolve o problema de baixa eficiência computacional causada pela filtragem da escala da grade e pela resolução de restrições de correspondência da escala de turbulência no LES tradicional, e realiza a modelagem de acoplamento entre características de turbulência em várias escalas, características de evolução transitória e resolução da grade. O VLES ajusta de forma adaptativa a proporção entre a solução de turbulência e a modelagem do modelo com base nas características em tempo real da evolução da estrutura do vórtice, reduzindo significativamente os custos computacionais e garantindo a precisão do cálculo.

No entanto, em comparação com o LES tradicional, a teoria e as características do VLES não foram amplamente estudadas e utilizadas. Este artigo introduz sistematicamente a teoria de modelagem do VLES e seus efeitos de aplicação em vários cenários físicos relacionados a câmaras de combustão, promovendo a aplicação em larga escala do VLES no campo da simulação de câmara de combustão de motores de aeronaves.

Método de simulação de grandes redemoinhos

A influência dos métodos de simulação de turbulência no consumo de recursos de computação e modelos é mostrada na Figura 1. Os métodos RANS, LES e VLES alcançam a simulação de fluxo por meio da modelagem de turbulência. Deve-se notar que a primeira definição clara de VLES foi dada por Pope, que se refere a "a escala da grade computacional é muito grosseira para que a energia cinética turbulenta diretamente resolvida seja menor que 80% da energia cinética turbulenta total". Ao mesmo tempo, o significado de LES dado por Pope [6] é "a grade computacional é muito fina para que a energia cinética turbulenta diretamente resolvida seja maior que 80% da energia cinética turbulenta total". No entanto, deve-se notar que o VLES introduzido neste artigo é um novo método computacional que foi remodelado e desenvolvido com base no método anterior. Embora os nomes sejam os mesmos, o novo método VLES é essencialmente diferente do método VLES definido por Pope. Como pode ser visto na figura, os modos de turbulência tradicionais são RANS, URANS, RANS/LES híbridos, LES e DNS em ordem de precisão de cálculo. Sob a nova estrutura do modelo, os modos de turbulência são divididos em RANS, VLES e DNS em ordem de precisão de cálculo. Ou seja, o método VLES realiza a unificação de múltiplos modos de turbulência tradicionais, e diferentes modelos transitam de forma adaptativa e convertem suavemente de acordo com as características locais em cálculos reais.

Simulação de processos físicos típicos na câmara de combustão

Simulação de vórtice muito grande de fluxo de forte redemoinho

A câmara de combustão de um motor de aeronave geralmente adota formas de organização de campo de fluxo, como redemoinho multiestágio e redemoinho forte. O fluxo de redemoinho é a forma de fluxo mais básica na câmara de combustão. Como o redemoinho é dominante tanto na direção do fluxo quanto na direção tangencial, a pulsação turbulenta do redemoinho tem anisotropia mais forte do que o fluxo de tubo tradicional, fluxo de canal e fluxo de jato. Portanto, a simulação numérica do redemoinho representa um grande desafio para o método de simulação de turbulência. Xia et al. usaram o método VLES para calcular o exemplo clássico de fluxo de redemoinho forte no tubo; Dellenback et al. [14] conduziram experimentos de campo de fluxo neste exemplo e têm dados experimentais detalhados. O número de Reynolds do fluxo do exemplo calculado é 1.0×105 (com base no diâmetro do tubo circular) e o número de turbulência é 1.23. Dois conjuntos de grades estruturadas são usados ​​no cálculo. O número total de grades esparsas (M1) é de cerca de 900,000 e o número total de grades criptografadas (M2) é de cerca de 5.1 milhões. Os resultados estatísticos do momento obtidos pelo cálculo são comparados ainda mais com os resultados experimentais para verificar a precisão do cálculo do método VLES.

A comparação dos resultados de cálculo de diferentes métodos e os resultados experimentais da distribuição radial da velocidade média circunferencial e da velocidade pulsante em diferentes posições a jusante sob forte fluxo de turbilhão é mostrada na Figura 4. Na figura, as coordenadas horizontais e verticais são distância adimensional e velocidade adimensional, respectivamente, onde D1 é o diâmetro do tubo circular de entrada e Uin é a velocidade média de entrada. Como pode ser visto na figura, o campo de fluxo mostra um vórtice composto típico do tipo Rankin gradualmente em transição para um único vórtice de corpo rígido. Comparando os resultados de cálculo e experimentais, pode-se descobrir que o método VLES tem uma alta precisão de cálculo para a previsão da velocidade circunferencial de forte fluxo de turbilhão, o que está em boa concordância com a distribuição de medições experimentais. O método RANS tradicional tem um desvio muito grande no cálculo do fluxo de turbilhão e não pode prever corretamente a evolução espacial do campo de fluxo de turbilhão e pulsação turbulenta. Em comparação, o método VLES tem uma precisão muito alta na previsão do campo de velocidade média, campo de velocidade pulsante e evolução espacial sob fluxo de redemoinho forte e complexo, e ainda pode garantir uma alta precisão de cálculo mesmo em uma resolução de grade relativamente esparsa. Para a previsão da velocidade média circunferencial, os resultados de cálculo do método VLES são basicamente consistentes em dois conjuntos de resoluções de grade esparsa e densa.

Simulação de Grande Eddy de Combustão Turbulenta

Para estudar a viabilidade do método VLES na previsão de problemas de combustão turbulenta [15-16], foi desenvolvido um modelo de combustão turbulenta baseado no método VLES acoplado aos coletores gerados por flamelet (FGM). A ideia básica é assumir que a chama turbulenta tem uma estrutura de chama laminar unidimensional localmente, e a superfície da chama turbulenta é a média do conjunto de uma série de superfícies de chama laminar. Portanto, o espaço de componentes de alta dimensão pode ser mapeado para um padrão de fluxo de baixa dimensão composto de várias variáveis ​​características (fração de mistura, variável de progresso da reação, etc.). Sob a condição de considerar o mecanismo de reação detalhado, o número de equações de transporte a serem resolvidas é bastante reduzido, reduzindo significativamente o custo computacional.

O processo de implementação específico é construir a tabela de dados laminares FGM com base na fração de mistura e nas variáveis ​​de progresso da reação, considerar a interação entre a combustão turbulenta assumindo o método da função de densidade de probabilidade para integrar a tabela de dados laminares e, assim, obter a tabela de dados turbulentos. No cálculo numérico, as equações de transporte da fração de mistura, variáveis ​​de progresso da reação e a variância correspondente são resolvidas, e as informações do campo de combustão são obtidas consultando a tabela de dados turbulentos.

O modelo de combustão turbulenta baseado em VLES e FGM foi usado para realizar cálculos numéricos na chama de jato turbulento de metano/ar (Flame D) medida pelo laboratório Sandia nos Estados Unidos, e comparações quantitativas foram feitas com os dados de medição experimental. O material combustível do exemplo Sandia Flame D (número de Reynolds é 22400) é uma mistura completa de metano e ar com uma relação de volume de 1:3, a velocidade de entrada do combustível é de cerca de 49.9 m/s, e a velocidade de esteira é de cerca de 11.4 m/s. A chama de serviço é uma mistura de metano queimado e ar, e o material de esteira é ar puro. O cálculo usa uma grade estruturada, e o número total de grades é de cerca de 1.9 milhão.

A distribuição da fração de massa média de diferentes componentes ao longo do eixo é mostrada na Figura 5. As coordenadas horizontais e verticais na figura são distância adimensional (D2 é o diâmetro do tubo de jato de entrada) e fração de massa adimensional, respectivamente. Pode ser visto na figura que a previsão dos principais componentes do processo de combustão pelo método VLES está geralmente em boa concordância com os resultados experimentais. A distribuição dispersa da temperatura em diferentes posições a jusante no espaço da fração da mistura é mostrada na Figura 6. Pode ser visto na figura que a tendência de distribuição dispersa prevista pelo método VLES é basicamente consistente com os resultados experimentais, e apenas o valor extremo de temperatura calculado é ligeiramente maior do que o valor experimental. A distribuição da função de controle de vorticidade instantânea, temperatura e resolução calculada pelo VLES é mostrada na Figura 7, onde a linha sólida é tomada como Zst = 0.351. Pode ser visto na figura que a área do jato central exibe forte pulsação turbulenta e, à medida que o campo de fluxo se desenvolve a jusante, a escala da estrutura do vórtice aumenta gradualmente. Como pode ser visto na Figura 7 (b) e (c), na maioria das áreas de reação química, a função de controle de resolução está entre 0 e 1, indicando que a resolução da grade local pode capturar turbulência em larga escala e simular apenas turbulência em pequena escala por meio do modelo. Neste momento, o VLES se comporta como um modo de solução de simulação de vórtice grande aproximado. Na camada de cisalhamento do jato e na borda externa da chama a jusante, a função de controle de resolução está próxima de 1, indicando que a escala do filtro truncado da grade computacional é maior do que a escala de turbulência local. Neste momento, o VLES se comporta como um modo de solução de média de Reynolds instável. Em resumo, pode-se ver que o método VLES pode realizar a transformação de vários modos de solução de turbulência de acordo com as características em tempo real da evolução da estrutura do vórtice e pode prever com precisão o processo de combustão instável em chamas turbulentas.

Simulação de grande redemoinho do processo completo de atomização

A maior parte do combustível usado na câmara de combustão de um motor de aeronave é combustível líquido. O combustível líquido entra na câmara de combustão e passa por processos de atomização primária e secundária. Existem muitas dificuldades em simular o processo completo de atomização de combustível líquido, incluindo a captura da configuração da interface topológica bifásica gás-líquido, deformação e ruptura da coluna líquida, a evolução da ruptura de bandas líquidas e filamentos líquidos em gotículas e a interação entre fluxo turbulento e gotículas. Huang Ziwei [19] desenvolveu um modelo completo de simulação de processo de atomização baseado no método VLES acoplado ao método de cálculo de atomização híbrida VOFDPM, realizando a simulação numérica de processo completo de atomização de combustível de líquido contínuo para gotículas discretas.

Um modelo de simulação de processo de atomização recentemente desenvolvido foi usado para realizar cálculos numéricos de alta precisão do processo clássico de atomização de coluna de líquido de fluxo lateral, e uma comparação detalhada foi feita com os resultados experimentais na literatura aberta [20] e os resultados do cálculo de simulação de grande redemoinho [21]. No exemplo de cálculo, a fase gasosa é ar com velocidades de 77.89 e 110.0 m/s, respectivamente, e a fase líquida é água líquida com uma velocidade de 8.6 m/s. Os números de Weber correspondentes são 100 e 200, respectivamente. Para simular melhor o processo de quebra secundária, o modelo de quebra adota o modelo Kelvin-Helmholtz e Rayleigh-Taylor (KHRT).

O processo completo de atomização previsto pelo VLES sob a condição do número 100 de Weber é mostrado na Figura 8. Como pode ser visto na figura, uma fina camada de coluna líquida é formada na área inicial, e então a coluna líquida se quebra em faixas líquidas e filamentos líquidos, e se quebra em gotículas sob a ação da força aerodinâmica, e as gotículas são ainda quebradas em gotículas menores por meio da quebra secundária. A velocidade do fluxo e a distribuição de vorticidade em toda a extensão calculadas pelo VLES sob a condição do número 100 de Weber são mostradas na Figura 9. Como pode ser visto na figura, há uma zona típica de recirculação de baixa velocidade no lado de sotavento da coluna líquida. Pode ser encontrado na distribuição instantânea de vorticidade que o lado de sotavento da coluna líquida exibe uma forte estrutura de vórtice, e o forte movimento turbulento na zona de recirculação de baixa velocidade contribui para a ruptura da camada da coluna líquida e a formação de gotículas.

A razão entre o diâmetro inicial do jato e a dimensão mínima de fluxo do jato de líquido quando a coluna de líquido começa a se quebrar sob diferentes números de Weber é mostrada na Figura 10. Na figura, di é a dimensão mínima de fluxo do jato de líquido quando a coluna de líquido começa a se quebrar, e D3 é o diâmetro inicial do jato de líquido. Pode ser visto na figura que os resultados do cálculo VLES estão em boa concordância com os resultados experimentais, que são melhores do que os resultados do cálculo de simulação de grandes redemoinhos na literatura [21].

Simulação de Instabilidade de Combustão de Grandes Dimensões de Redemoinhos

Para atender aos requisitos de baixas emissões, as câmaras de combustão de aeronaves civis são geralmente projetadas com combustão pobre pré-misturada ou parcialmente pré-misturada. No entanto, a combustão pobre pré-misturada tem baixa estabilidade e é propensa a excitar modos de combustão de oscilação termoacústica acoplada, levando à instabilidade da combustão. A instabilidade da combustão é altamente destrutiva e pode ser acompanhada por problemas como flashback e deformação sólida, que é um problema proeminente enfrentado pelo projeto da câmara de combustão.

O cálculo numérico da instabilidade da combustão pode ser dividido em duas categorias: método de desacoplamento e método de acoplamento direto. O método de previsão de instabilidade da combustão desacoplada desacopla a combustão instável e as soluções acústicas. A combustão instável requer um grande número de amostras de cálculo numérico para construir uma função de descrição de chama confiável. Se o método de cálculo de simulação de vórtice grande for usado, seu consumo de recursos de computação será muito grande. O método de cálculo de acoplamento direto é baseado no método de solução compressível e obtém diretamente o resultado da instabilidade da combustão por meio de cálculo instável de alta precisão, ou seja, o processo de cálculo de acoplamento de combustão instável e acústica sob determinadas condições de trabalho é concluído ao mesmo tempo dentro da mesma estrutura de cálculo.

No estudo da simulação numérica do desacoplamento da instabilidade da combustão, Huang et al. [27] desenvolveram um modelo de cálculo da instabilidade da combustão baseado no método VLES acoplado ao método de cálculo da chama espessante, e obtiveram uma previsão precisa do processo de combustão instável sob excitação acústica. O exemplo de cálculo é uma chama totalmente pré-misturada de etileno/ar estacionária de corpo rombudo desenvolvida pela Universidade de Cambridge, com uma razão de equivalência de 0.55 e um número de Reynolds de cerca de 17000. A comparação entre os resultados do cálculo VLES e os resultados experimentais das características dinâmicas da chama instável sob excitação acústica é mostrada na Figura 12. Pode ser visto na figura que durante o processo de excitação de entrada, a chama rola nas camadas de cisalhamento interna e externa e evolui para um par de vórtices contrarrotativos. Neste processo, a evolução do perfil da chama em forma de cogumelo continua a se desenvolver com a mudança do ângulo de fase. Os resultados do cálculo VLES reproduzem bem as características de evolução da chama observadas no experimento. A comparação da amplitude e da diferença de fase da resposta da taxa de liberação de calor sob excitação acústica de 160 Hz obtida por diferentes métodos de cálculo e medições experimentais é mostrada na Figura 13. Na figura, Q' e Q͂ são a liberação de calor pulsante e a liberação média de calor da combustão, respectivamente, A é a amplitude da excitação acústica sinusoidal, e a ordenada da Figura 13 (b) é a diferença de fase entre o sinal de liberação de calor transiente da combustão sob excitação acústica e o sinal de excitação da velocidade de entrada. Como pode ser visto na figura, a precisão da previsão do método VLES é comparável à precisão da simulação de grande redemoinho [28], e ambos estão em boa concordância com os valores experimentais. Embora o método RANS instável preveja a tendência da resposta não linear, os resultados quantitativos calculados desviam-se muito dos valores experimentais. Para os resultados da diferença de fase (Figura 13 (b)), a tendência da diferença de fase prevista pelo método VLES com a amplitude de perturbação é basicamente consistente com os resultados experimentais, enquanto os resultados da simulação de grande redemoinho não preveem bem a tendência acima.