Progrese în cercetarea performanței aerodinamice a camerei de combustie a motorului pentru avioane bazate pe simularea cu eddies mari

Progrese în cercetarea performanței aerodinamice a camerei de combustie a motorului pentru avioane bazate pe simularea cu eddies mari

Camera de combustie este una dintre componentele de bază ale unui motor de avion, iar performanța aerodinamică a camerei de combustie joacă un rol vital în performanța întregului motor. Pentru a satisface cerințele tehnice din ce în ce mai stricte ale motorului privind camera de combustie, modul de organizare al combustiei și caracteristicile de flux din interiorul camerei de combustie au devenit foarte complexe. Procesul de decelerație și presurizare al difuzorului poate să se confrunte cu separarea fluxului sub un gradient de presiune advers puternic; aerul trece printr-un dispozitiv multi-etapă de vorți pentru a forma o structură de vorți la scară largă, care, pe de o parte, promovează atomizarea și evaporarea combustibilului lichid și formează o amestecare nestabilă, pulsantă puternic cu combustibilul, iar pe de altă parte generează un foc staționar în zona de recirculație aerodinamică; jetoanele multiple ale găuri principale de combustie/mixare interacționează cu fluxul lateral din tubul de foc pentru a forma un cuplu de vorți cu rotație opusă, care are o influență importantă asupra amestecării turbulente. Pe baza acestui flux, procesele fizice și chimice multi-scalare precum atomizarea și evaporarea, amestecarea, reacția chimică și interacțiunea dintre turbulență și foc sunt puternic acoplate, determinând împreună caracteristicile aerodinamice ale camerei de combustie. Modelarea și calculul cu precizie ridicată ai acestor procese fizice și chimice au fost întotdeauna un subiect de cercetare popular atât în țară cât și în străinătate.

Procesele de atomizare, evaporare, amestecare și combustie în cameră de combustie se dezvoltă și evoluează într-un mediu de curgere turbulent, prin urmare curgerea reprezintă baza pentru simularea performanței aerodinamice a camerei de combustie. Caracteristica fundamentală a turbulenței este că parametrii de curgere arată o pulsație aleatorie cauzată de procesul de convecție neliniar. Turbulența conține multe structuri de vorți. Span-urile diferitelor vorți în scali de lungime și timp sunt enorme, iar când numărul Reynolds crește, diferențele între scali cresc brusc. Conform proporției structurilor vorțiale turbulente care sunt rezolvate direct, simularea turbulenței  metodele sunt împărțite în simulare numerică directă (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), simulare cu eddies mari (LES) și metode de simulare a turbulenței mixte. Metoda RANS, care este folosită pe scară largă în inginerie, rezolvă câmpul mediu turbulent și folosește un model pentru a simula toate informațiile legate de pulsațiile turbulente. Cantitatea de calcul este mică, dar precizia este scăzută. Pentru procesele cu rotație puternică și curge nestabil în cameră de combustie, RANS nu poate să satisfacă cerințele proiectării detaliate. Pitsch a subliniat că complexitatea computațională a LES se situează între RANS și DNS, fiind folosită în prezent pentru calcule de combustie turbulentă în spații nelimitate cu numere medii și mici Reynolds. Datorită mărimii reduse a turbulenței în zona apropiată de perete din cameră de combustie și numerelor ridicate Reynolds ale curgerea, cantitatea de rețele necesară pentru calculul LES al unei singure capete ale camerei de combustie ajunge la sute de milioane sau chiar miliarde. Asemenea consum ridicat de resurse computaționale limitează utilizarea extinsă a LES în simulările camerei de combustie.

Stabilirea modelelor și metodelor de calcul cu precizie ridicată bazate pe cadrele Simulării Foarte Mari a Turbulenței (VLES) și Metoda Hibridă RANS-LES reprezintă o tendință importantă în simularea numerică. Metoda VLES dezvoltată de Han și alții rezolvă problema scăderii eficienței computaționale cauzată de filtrarea mărilor rețelei și de respectarea corespondenței dintre scara turbulenței și cea a rețelei în LES tradițional, realizând modelarea cuplantă între caracteristicile multi-scalare ale turbulenței, caracteristicile de evoluție tranziționară și rezoluția rețelei. VLES ajustează adaptiv raportul dintre soluționarea turbulenței și modelarea bazată pe caracteristicile reale ale evoluției structurilor vortexiene, reducând semnificativ costurile computaționale în timp ce asigură precizia calculului.

Cu toate acestea, comparativ cu LES tradițională, teoria și caracteristicile VLES nu au fost încă studiate și utilizate pe larg. Această lucrare prezintă sistematic teoria modelării VLES și efectele sale de aplicare în diferite scenarii fizice legate de camerele de combustie, promovând aplicarea la scară largă a VLES în domeniul simulării camerelor de combustie ale motorului avionului.

Metoda de Simulare a Marelor Echipe

Se arată influența metodelor de simulare a turbulenței asupra consumului de resurse de calcul și modele în Figura 1. Metodele RANS, LES și VLES realizează toate simularea curgerii prin modelarea turbulenței. Trebuie notat că prima definiție clară a VLES a fost dată de Pope, care se referă la „scala rețelei computaționale este prea grosieră astfel încât energia cinetică turbulentă rezolvată direct este mai mică de 80% din energia cinetică turbulentă totală”. În același timp, sensul LES-ului dat de Pope [6] este „rețeaua computațională este foarte fină astfel încât energia cinetică turbulentă rezolvată direct este mai mare de 80% din energia cinetică turbulentă totală”. Cu toate acestea, trebuie să se noteze că VLES-ul introdus în acest articol este o nouă metodă computațională remodelată și dezvoltată pe baza metodei anterioare. Deși numele sunt aceleași, metoda VLES nouă este esențial diferită de metoda VLES definită de Pope. După cum se poate vedea din imagine, modelele tradiționale de turbulență sunt, în ordinea preciziei de calcul, RANS, URANS, hibrid RANS/LES, LES și DNS. Sub cadru noului model, modelele de turbulență sunt divizionate în RANS, VLES și DNS, în ordinea preciziei de calcul. Adică, metoda VLES realizează unificarea mai multor mode tradiționale de turbulență, iar diferitele modele trec și se convertește adaptiv și fluid în funcție de caracteristici locale în calculele practice.

Simularea proceselor fizice tipice din cameră de combustie

Simulare foarte detaliată a curgerii cu turbulență puternică

Cameră de combustie a unui motor de avion adoptă de obicei forme de organizare a câmpului de flux, cum ar fi multi-etapă cu turbułență și curgere puternică. Curgerea cu turбуlență este cea mai basică formă de curgere din cameră de combustie. Deoarece curgerea cu turbułență este dominantă atât în direcția de curgere, cât și în direcția tangentă, pulsațiile turbulente ale acesteia au o anizotropie mai puternică decât în cazul curgerii tradiționale prin conducte, curgerii canalelor și curgerii jetoarelor. Prin urmare, simularea numerică a curgerii cu turbułență reprezintă o provocare majoră pentru metoda de simulare a turbulenței. Xia et al. au folosit metoda VLES pentru a calcula exemplul clasic de curgere puternică cu turbułență în tub; Dellenback et al. [14] au efectuat experimente de câmp de curgere pe acest exemplu și au date experimentale detaliate. Numărul de Reynolds al curgerii exemplei calculate este 1.0 × 105 (în funcție de diametrul tubului circular) și numărul de vorți este 1.23. Sunt utilizate două seturi de rețele structurate în calcul. Numărul total de rețele rare (M1) este de aproximativ 900.000, iar numărul total de rețele criptate (M2) este de aproximativ 5,1 milioane. Rezultatele momentelor statistice obținute prin calcul sunt comparate ulterior cu rezultatele experimentale pentru a verifica precizia metodei VLES de calcul.

Comparația rezultatelor de calcul ale diferitelor metode și a rezultatelor experimentale ale distribuției radiale a vitezei medii circumferențiale și a vitezei pulsaționale la diferite poziții în aval sub un flux cu turbulență puternică este prezentată în Figura 4. În figura respectivă, coordonatele orizontale și verticale reprezintă distanța fără dimensiune și viteza fără dimensiune, respectiv, unde D1 este diametrul tubului circular de intrare și Uin este viteza medie de intrare. După cum se poate observa din figură, câmpul de flux arată un vortex compus tip Rankin care trece treptat la un vortex unic de corp rigid. Comparând rezultatele de calcul cu cele experimentale, se poate constata că metoda VLES are o precizie ridicată în predicția vitezei circumferențiale ale fluxului cu turbinare puternică, fiind în bună concordanță cu distribuția măsurătorilor experimentale. Metoda tradițională RANS prezintă o deviație foarte mare în calcularea fluxului cu turbinare și nu poate prezice corect evoluția spațială a câmpului de flux cu turbinare și a pulsațiilor turbulente. În comparație, metoda VLES are o precizie foarte ridicată în predicția câmpului de viteză medie, câmpului de viteză pulsațională și evoluției spațiale sub un flux complex cu turbinare puternică, garantând o precizie ridicată chiar și la o rezoluție relativ scăzută a rețelei. Pentru predicția vitezei medii circumferențiale, rezultatele de calcul ale metodei VLES sunt practic identice la două seturi de rezoluții ale rețelei, atât scăzute cât și dense.

Simularea prin Metoda Large Eddy a Combustiei Turbulente

Pentru a studia fezabilitatea metodei VLES în prevederea problemelor de combustie turbulentă [15-16], s-a dezvoltat un model de combustie turbulentă bazat pe metoda VLES, cuplată cu suprafețele generate de flacări (FGM). Ideea de bază este să se presupe că flacăra turbulentă are local o structură de flacără laminar unidimensională și că suprafața flamei turbulente reprezintă media ansamblu a unei serii de suprafețe de flacări laminiare. Astfel, spațiul de componente multidimensional poate fi transformat într-un model de curgere cu dimensiuni reduse, alcătuit din câteva variabile caracteristice (fracțiunea de amestec, variabila progresului reacției, etc.). Sub condiția luării în considerare a mecanismelor de reacție detaliate, numărul de ecuații de transport care trebuie rezolvate este redus semnificativ, ceea ce scade substanțial costul computațional.

Procesul de implementare specific este de a construi tabela de date stratificată FGM bazată pe fracțiunea de amestec și variabilele progresului reacției, de a lua în considerare interacțiunea dintre combustia turbulentă prin presupunerea metodei funcției de densitate a probabilității pentru a integra tabela de date stratificate, și astfel de a obține tabela de date turbulente. În calculul numeric, se rezolvă ecuațiile de transport ale fracțiunii de amestec, variabilelor progresului reacției și a varianței corespunzătoare, iar informațiile despre câmpul de combustie sunt obținute prin interogarea tabelei de date turbulente.

Modelul de combustie turbulentă bazat pe VLES și FGM a fost utilizat pentru a efectua calcule numerice privind flacăra turbulentă de jet de metan/air (Flame D) măsurată de laboratorul Sandia din Statele Unite, iar au fost realizate comparații cuantitative cu datele de măsurare experimentale. Materialul combustibil al exemplelor Sandia Flame D (numărul Reynolds este 22400) este o amestecare completă de metan și aer în raport volumetric de 1:3, viteza de intrare a combustibilului este de aproximativ 49,9 m/s, iar viteza în urma este de aproximativ 11,4 m/s. Flacăra principală este un amestec de metan ars și aer, iar materialul din urmă este aer pur. Calculul utilizează o grilă structurată, iar numărul total de griuri este de aproximativ 1,9 milioane.

Reprezentarea distribuției fracțiunii medii de masă a diferitelor componente de-a lungul axei este prezentată în Figura 5. Coordonatele orizontale și verticale din figura sunt distanța adimensională (D2 este diametrul tubului de intrare al jet-ului) și fracțiunea adimensională de masă, respectiv. Se poate observa din figura că predicția componentelor principale ale procesului de combustie prin metoda VLES este în general în bună concordanță cu rezultatele experimentale. Distribuția dispersată a temperaturii la diferite poziții în aval în spațiul fracțiunii de amestec este arătată în Figura 6. Din figura se poate vedea că tendința de distribuție dispersată prevăzută de metoda VLES este esențial consistentă cu rezultatele experimentale, iar doar valoarea extremă calculată a temperaturii este ușor mai mare decât valoarea experimentală. Distribuția vorticitații instantanee, temperatura și funcția de control al rezoluției calculate prin VLES este prezentată în Figura 7, unde linia continuă este luată ca Zst=0.351. Din figura se poate vedea că zona jetului central prezintă o pulsație turbulentă puternică, iar pe măsură ce câmpul de flux se dezvoltă în aval, scara structurii vortex crește treptat. După cum se poate vedea din Figura 7 (b) și (c), în majoritatea zonelelor de reacție chimică, funcția de control al rezoluției este între 0 și 1, indicând că rețeaua locală poate captura turbulența la scară mare și să simuleze numai turbulența la scară mică prin model. În acest moment, VLES acționează ca un mod de soluționare aproximativ pentru simularea la scară mare. În stratul de tăiere al jet-ului și pe marginea exterioară a flămânului în aval, funcția de control al rezoluției este aproape 1, indicând că scara filtrului trunchiat al rețelei de calcul este mai mare decât scara de turbulență locală. În acest caz, VLES acționează ca un mod de soluționare medie nesteady Reynolds. În concluzie, se poate observa că metoda VLES poate realiza transformarea dintre diferitele mode de soluționare a turbulenței în funcție de caracteristicile reale ale evoluției structurii vortex, și poate prezice cu precizie procesul de combustie nesteady în flămânurile turbulente.

Simulare cu eddies mari a procesului complet de atomizare

Marea parte a combustibilului folosit în cameră de combustie a unui motor de avion este combustibil lichid. Combustibilul lichid intră în cameră de combustie și trece prin procesele de atomizare primară și secundară. Există multe dificultăți în simularea procesului complet de atomizare al combustibilului lichid, inclusiv captarea configurației topologice a interfeței bifazice gaz-lichid, deformarea și ruptura coloanei lichide, evoluția dezlindării bandelor și firurilor lichide în picături, precum și interacțiunea dintre curgere turbulentă și picături. Huang Ziwei [19] a dezvoltat un model de simulare a procesului complet de atomizare bazat pe metoda VLES acoplată cu metoda hibridă VOFDPM de calcul al atomizării, realizând simulari numerice ale întregului proces de atomizare a combustibilului, de la lichid continuu până la picături discrete.

Un model de simulare al procesului de atomizare dezvoltat recent a fost utilizat pentru a efectua calcule numerice de înaltă precizie ale procesului clasic de atomizare a coloanei de lichid în curgere laterală, realizând o comparare detaliată cu rezultatele experimentale din literatura deschisă [20] și cu rezultatele calculului de simulare cu eddies mari [21]. În exemplul de calcul, fază gazosă este aer cu viteze de 77,89 și 110,0 m/s, respectiv, iar fază lichidă este apă lichidă cu o viteză de 8,6 m/s. Numerele Weber corespunzătoare sunt 100 și 200, respectiv. Pentru a simula mai bine procesul de ruptură secundară, modelul de ruptură utilizează modelul Kelvin-Helmholtz și Rayleigh-Taylor (KHRT).

Procesul complet de atomizare prevăzut de VLES sub condiția numărului Weber 100 este prezentat în Figura 8. După cum se poate observa din figură, în zona inițială se formează o foaie subțire de coloană lichidă, apoi coloana lichidă se distruge în benzi și filamente lichide, care se distruge în picături sub acțiunea forței aerodinamice, iar picăturile sunt ulterior distruse în picături mai mici prin frângere secundară. Distribuția vitezei curgurii și a vorticitații pe direcția spanwise calculată de VLES sub condiția numărului Weber 100 este prezentată în Figura 9. După cum se poate observa din figură, există o zonă tipică de recirculație cu viteză scăzută pe partea abrită a coloanei lichide. Se poate deduce din distribuția instantanee a vorticitații că partea abrită a coloanei lichide prezintă o structură puternic vorticosă, iar mișcarea turbulentă intensă din zona de recirculație cu viteză scăzută contribuie la ruptura foii coloanei lichide și la formarea picăturilor.

Raportul dintre diametrul inițial al jetului și dimensiunea minimă a curgerii jetului de lichid atunci când coloana de lichid începe să se desfacă la diferite numere Weber este prezentat în Figura 10. În figura respectivă, di reprezintă dimensiunea minimă a curgerii jetului de lichid atunci când coloana de lichid începe să se desfacă, iar D3 este diametrul inițial al jetului de lichid. Se poate observa din figura respectivă că rezultatele calculului VLES sunt în bună concordanță cu rezultatele experimentale, fiind mai bune decât rezultatele de calcul ale simulării cu eddies mari din literatura [21].

Instabilitatea Combustiei Simulare Eddies Foarte Mari

Pentru a îndeplini cerințele privind emisiile reduse, camerele de combustie ale aeronavelor civile sunt de obicei proiectate cu o combustie premixtă sau parțial premixtă slabă. Cu toate acestea, combustia premixtă slabă are o stabilitate scăzută și este predispusă să genereze regimuri de combustie oscilatorii cuplați termoacustic, ceea ce duce la instabilitatea combustiei. Instabilitatea combustiei este extrem de distructivă și poate fi însoțită de probleme precum flash-back-ul și deformarea solidă, ceea ce reprezintă un problema semnificativă cu care se confruntă proiectarea camerelor de combustie.

Calculul numeric al instabilității de combustie se poate împărți în două categorii: metoda decuplare și metoda de cuplare directă. Metoda de predicție a instabilității de combustie decuplată decuplează soluțiile de combustie nesteady și acustice. Combustia nesigură necesită un număr mare de exemple de calcul numeric pentru a construi o funcție de descriere a flămânului de încredere. Dacă se folosește metoda de calcul a simulării cu eddies mari, consumul de resurse de calcul este prea mare. Metoda de calcul cu cuplare directă se bazează pe metoda de soluție comprimabilă și obține direct rezultatul instabilității de combustie prin calculuri nesigure de precizie ridicată, adică procesul de calcul cu cuplare a combustiei nesigure și a acusticii sub condiții de lucru date este finalizat o singură dată în cadrul aceleiași structuri de calcul.

În studiul simulării numerice a decuplării instabilității de combustie, Huang și alții [27] au dezvoltat un model de calcul al instabilității de combustie bazat pe metoda VLES couplată cu metoda de calcul a flămânelor alungite, realizând o predicție precisă a procesului de combustie nesigur sub excitație acustică. Exemplul de calcul este un flambard staționar de etilen/aire complet premixt dezvoltat de Universitatea din Cambridge, cu un raport de echivalență de 0,55 și un număr Reynolds de aproximativ 17000. Compararea rezultatelor de calcul VLES cu rezultatele experimentale ale caracteristicilor dinamice ale flămânului nesigur sub excitație acustică este prezentată în Figura 12. Se poate observa din figură că, în timpul procesului de excitație la intrare, flămânu se rostogolește la straturile exterioare și interioare de tăiere și evoluează într-un pereche de vorțiuge cu rotație opusă. În acest proces, evoluția profilului flămânului în formă de ciupercă continuă să se dezvolte în funcție de schimbarea unghiului de fază. Rezultatele de calcul VLES reconstituie bine caracteristicile de evoluție ale flămânului observate în experiment. Compararea amplitudinii și a diferenței de fază a răspunsului ratei de eliberare a căldurii sub excitație acustică de 160 Hz obținute prin diferite metode de calcul și măsurători experimentale este prezentată în Figura 13. În figura respectivă, Q' și Q ͂ sunt respectiv eliberarea pulsătoare de căldură și eliberarea medie de căldură a combustiei, A este amplitudinea excitației acustice sinusoidale, iar axa ordonatelor din Figura 13 (b) reprezintă diferența de fază între semnalul transitoriu de eliberare a căldurii a combustiei sub excitație acoustică și semnalul de excitație a vitezei de intrare. După cum se poate observa din figura, precizia de predicție a metodei VLES este comparabilă cu precizia simulării cu eddies mari [28], iar ambele sunt în bună concordanță cu valorile experimentale. Deși metoda RANS neasteadată prezice tendința răspunsului neliniar, rezultatele cantitative calculate se abat mult de valorile experimentale. Pentru rezultatele diferenței de fază (Figura 13 (b)), tendința diferenței de fază prevăzută de metoda VLES cu amplitudinea perturbării este esențial consistentă cu rezultatele experimentale, în timp ce rezultatele simulării cu eddies mari nu prezic bine această tendință.