Progresul cercetării privind performanța aerodinamică a camerei de ardere a motorului aeronavei, bazat pe simularea turbiilor mari

Progresul cercetării privind performanța aerodinamică a camerei de ardere a motorului aeronavei, bazat pe simularea turbiilor mari

Camera de ardere este una dintre componentele de bază ale unui motor de avion, iar performanța aerodinamică a camerei de ardere joacă un rol vital în performanța întregului motor. Pentru a îndeplini cerințele tehnice din ce în ce mai stricte ale motorului pentru camera de ardere, modul de organizare a arderii și caracteristicile de curgere în interiorul camerei de ardere au devenit foarte complexe. Procesul de decelerare și presurizare al difuzorului se poate confrunta cu separarea fluxului sub un gradient de presiune puternic advers; fluxul de aer trece printr-un dispozitiv de vârtej în mai multe etape pentru a forma o structură de vortex la scară largă, care, pe de o parte, promovează atomizarea și evaporarea combustibilului lichid și formează un amestec puternic pulsat, instabil cu combustibilul, iar pe de altă parte generează o flacără staționară în zona de recirculare aerodinamică; jeturile multiple ale orificiului principal de ardere/amestecare interacționează cu fluxul lateral din tubul de flacără pentru a forma o pereche de vortex contrarotativă, care are o influență importantă asupra amestecării turbulente. Pe baza curgerii, procesele fizice și chimice pe mai multe scară, cum ar fi atomizarea și evaporarea, amestecarea, reacția chimică și interacțiunea dintre turbulență și flacără sunt puternic cuplate, care determină împreună caracteristicile aerodinamice ale camerei de ardere. Modelarea și calculul de înaltă precizie a acestor procese fizice și chimice au fost întotdeauna un subiect fierbinte de cercetare în țară și în străinătate.

Procesele de atomizare, evaporare, amestecare și ardere în camera de ardere se dezvoltă și evoluează într-un mediu de curgere turbulent, astfel încât debitul este baza pentru simularea performanței aerodinamice a camerei de ardere. Caracteristica de bază a turbulenței este că parametrii de curgere prezintă pulsații aleatorii din cauza procesului de convecție neliniară. Turbulența conține multe structuri de vortex. Intervalele diferitelor vârtejuri în scări de lungime și de timp sunt uriașe și, pe măsură ce numărul Reynolds crește, distanța dintre scale crește brusc. În funcție de proporția structurilor turbulente vortex care sunt rezolvate direct, simularea turbulenței metodele sunt împărțite în simulare numerică directă (DNS), Reynolds-Average Navier-Stokes (RANS), simulare cu turbulențe mari (LES) și metode de simulare a turbulențelor mixte. Metoda RANS, care este utilizată pe scară largă în inginerie, rezolvă câmpul mediu turbulent și utilizează un model pentru a simula toate informațiile despre pulsația turbulentă. Suma de calcul este mică, dar precizia este slabă. Pentru procese puternice de turbionare și curgere instabilă în camera de ardere, RANS nu poate îndeplini cerințele unui design rafinat. Pitsch a subliniat că complexitatea computațională a LES este între RANS și DNS și este utilizată în prezent pentru calcule de combustie turbulentă în spații nerestricționate cu numere Reynolds medii și scăzute. Datorită sferei mici de turbulență în zona de lângă peretele camerei de ardere și a numărului Reynolds mare al debitului, cantitatea de grile necesară pentru calculul LES al unui singur cap al camerei de ardere este de la sute de milioane până la miliarde. Un astfel de consum mare de resurse de calcul limitează utilizarea pe scară largă a LES în simulările camerelor de ardere.

Stabilirea modelelor și metodelor de calcul de înaltă precizie bazate pe cadrele Very Large Eddy Simulation (VLES) și Hybrid RANS-LES Method este o tendință importantă în simularea numerică. Metoda VLES dezvoltată de Han și colab. rezolvă problema eficienței computaționale scăzute cauzată de filtrarea scării grilei și soluționarea restricțiilor de potrivire a scării de turbulență în LES tradiționale și realizează modelarea de cuplare între caracteristicile de turbulență multiscale, caracteristicile de evoluție tranzitorie și rezoluția grilei. , VLES ajustează adaptiv raportul dintre soluția de turbulență și modelarea modelului pe baza caracteristicilor în timp real ale evoluției structurii vortexului, reducând semnificativ costurile de calcul, asigurând în același timp acuratețea calculului.

Cu toate acestea, în comparație cu LES tradițional, teoria și caracteristicile VLES nu au fost studiate și utilizate pe scară largă. Această lucrare introduce sistematic teoria modelării VLES și efectele sale de aplicare în diferite scenarii fizice legate de camerele de ardere, promovând aplicarea pe scară largă a VLES în domeniul simulării camerei de ardere a motoarelor de aeronave.

Metoda de simulare a turbulențelor mari

Influența metodelor de simulare a turbulenței asupra consumului de resurse de calcul și a modelelor este prezentată în Figura 1. Metodele RANS, LES și VLES realizează toate simularea fluxului prin modelarea turbulenței. Trebuie remarcat faptul că cea mai veche definiție clară a VLES a fost dată de Pope, care se referă la „scara de calcul a rețelei 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 dat de Pope [6] este „grila de calcul este foarte fină astfel încât energia cinetică turbulentă rezolvată direct este mai mare de 80% din energia cinetică turbulentă totală”. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că VLES introdus în acest articol este o nouă metodă de calcul care a fost remodelată și dezvoltată pe baza metodei anterioare. Deși numele sunt aceleași, noua metodă VLES este esențial diferită de metoda VLES definită de Pope. După cum se poate observa din figură, modurile tradiționale de turbulență sunt RANS, URANS, hibrid RANS/LES, LES și DNS în ordinea preciziei de calcul. În noul cadru de model, modurile de turbulență sunt împărțite în RANS, VLES și DNS în ordinea preciziei calculului. Adică, metoda VLES realizează unificarea mai multor moduri tradiționale de turbulență, iar modelele diferite tranzitează adaptiv și convertesc fără probleme în funcție de caracteristicile locale în calculele reale.

Simularea proceselor fizice tipice în camera de ardere

Simulare Eddy foarte mare a curgerii puternice în vârtej

Camera de ardere a unui motor de aeronavă adoptă, de obicei, forme de organizare a câmpului de curgere, cum ar fi vârtejul în mai multe etape și vârtejul puternic. Curgerea turbionară este cea mai simplă formă de curgere din camera de ardere. Deoarece turbulentele sunt dominante atât în ​​direcția curgerii, cât și în direcția tangențială, pulsația turbulentă a turbulenței are o anizotropie mai puternică decât fluxul tradițional în conductă, fluxul canalului și fluxul cu jet. Prin urmare, simularea numerică a turbulenței reprezintă o mare provocare pentru metoda de simulare a turbulenței. Xia și colab. a folosit metoda VLES pentru a calcula exemplul clasic de curgere turbionară puternică în tub; Dellenback și colab. [14] a efectuat experimente în câmp de flux pe acest exemplu și au date experimentale detaliate. Numărul Reynolds de flux al exemplului calculat este 1.0×105 (pe baza diametrului tubului circular) iar numărul de turbionare este 1.23. În calcul sunt utilizate două seturi de grile structurate. Numărul total de grile rare (M1) este de aproximativ 900,000, iar numărul total de grile criptate (M2) este de aproximativ 5.1 milioane. Rezultatele momentelor statistice obținute prin calcul sunt în continuare comparate cu rezultatele experimentale pentru a verifica acuratețea calculului metodei VLES.

Comparația rezultatelor de calcul ale diferitelor metode și a rezultatelor experimentale ale distribuției radiale a vitezei medii circumferențiale și a vitezei pulsatorii la diferite poziții din aval sub un flux puternic de turbionare este prezentată în Figura 4. În figură, coordonatele orizontale și verticale sunt distanța adimensională și respectiv viteza adimensională, unde D1 este diametrul conductei circulare de intrare și Uin este viteza medie a conductei. După cum se poate vedea din figură, câmpul de curgere arată un vârtej compus tipic asemănător Rankin care trece treptat la un singur vârtej de corp rigid. Comparând rezultatele calculului cu cele experimentale, se poate constata că metoda VLES are o precizie ridicată de calcul pentru predicția vitezei circumferențiale a curgerii puternice turbionare, ceea ce este în bună concordanță cu distribuția măsurătorilor experimentale. Metoda tradițională RANS are o abatere foarte mare în calculul debitului turbulent și nu poate prezice corect evoluția spațială a câmpului de curgere turbulentă și a pulsației turbulente. În comparație, metoda VLES are o precizie foarte mare în predicția câmpului de viteză medie, a câmpului de viteză pulsatorie și a evoluției spațiale sub un flux turbitor puternic și poate garanta o precizie ridicată de calcul chiar și la o rezoluție relativ rară a grilei. Pentru predicția vitezei medii circumferențiale, rezultatele calculului metodei VLES sunt practic consistente la două seturi de rezoluții ale grilei rare și dense.

Simulare mare turbulentă a arderii turbulente

Pentru a studia fezabilitatea metodei VLES în prezicerea problemelor de combustie turbulentă [15-16], a fost dezvoltat un model de combustie turbulentă bazat pe metoda VLES cuplat cu distribuitoarele generate de flacără (FGM). Ideea de bază este de a presupune că flacăra turbulentă are o structură de flacără laminară unidimensională la nivel local, iar suprafața flăcării turbulente este media ansamblului unei serii de suprafețe de flăcări laminare. Prin urmare, spațiul componentelor de dimensiuni înalte poate fi mapat la un model de flux de dimensiuni joase compus din mai multe variabile caracteristice (fracția de amestec, variabila de progres al reacției etc.). Sub condiția luării în considerare a mecanismului de reacție detaliat, numărul de ecuații de transport care trebuie rezolvate este mult redus, reducând astfel semnificativ costul de calcul.

Procesul specific de implementare constă în construirea tabelului de date laminare FGM pe baza fracțiunii de amestec și a variabilelor de progres al reacției, luarea în considerare a interacțiunii dintre arderea turbulentă prin asumarea metodei funcției de densitate de probabilitate pentru a integra tabelul de date laminar și, astfel, obținerea tabelului de date turbulente. În calculul numeric se rezolvă ecuațiile de transport ale fracției de amestec, variabilele de progres al reacției și varianța corespunzătoare, iar informațiile câmpului de ardere sunt obținute prin interogarea tabelului de date turbulente.

Modelul de combustie turbulentă bazat pe VLES și FGM a fost utilizat pentru a efectua calcule numerice asupra flăcării jetului turbulent metan/aer (Flacăra D) măsurată de laboratorul Sandia din Statele Unite și s-au făcut comparații cantitative cu datele de măsurare experimentale. Materialul combustibil al exemplului Sandia Flame D (numărul Reynolds este 22400) este un amestec complet de metan și aer cu un raport de volum de 1:3, viteza de intrare a combustibilului este de aproximativ 49.9 m/s, iar viteza de trezire este de aproximativ 11.4 m/s. Flacăra de serviciu este un amestec de metan ars și aer, iar materialul de trezi este aer pur. Calculul folosește o grilă structurată, iar numărul total de grile este de aproximativ 1.9 milioane.

Distribuția fracției medii de masă a diferitelor componente de-a lungul axei este prezentată în Figura 5. Coordonatele orizontale și verticale din figură sunt distanța adimensională (D2 este diametrul tubului cu jet de intrare) și, respectiv, fracția de masă adimensională. Din figură se poate observa că predicția principalelor componente ale procesului de ardere prin metoda VLES este în general în acord cu rezultatele experimentale. Distribuția împrăștiată a temperaturii la diferite poziții din aval în spațiul fracției de amestec este prezentată în Figura 6. Din figură se poate observa că tendința de distribuție împrăștiată prezisă prin metoda VLES este practic în concordanță cu rezultatele experimentale și doar valoarea extremă a temperaturii calculate este puțin mai mare decât valoarea experimentală. Distribuția funcției de control instantanee a vorticității, temperaturii și rezoluției calculate de VLES este prezentată în Figura 7, unde linia continuă este luată ca Zst=0.351. Se poate observa din figură că zona jetului de miez prezintă pulsații puternice turbulente și, pe măsură ce câmpul de curgere se dezvoltă în aval, scara structurii vortexului crește treptat. După cum se poate observa din Figura 7 (b) și (c), în majoritatea zonelor de reacție chimică, funcția de control al rezoluției este între 0 și 1, ceea ce indică faptul că rezoluția locală a rețelei poate captura turbulențe la scară mare și poate simula doar turbulența la scară mică prin model. În acest moment, VLES se comportă ca un mod aproximativ de simulare a turbiilor mari. În stratul de forfecare a jetului și marginea exterioară a flăcării din aval, funcția de control al rezoluției este aproape de 1, indicând faptul că scara trunchiată a filtrului a rețelei de calcul este mai mare decât scara locală de turbulență. În acest moment, VLES se comportă ca un mod de soluție medie Reynolds instabil. În rezumat, se poate observa că metoda VLES poate realiza transformarea mai multor moduri de soluție de turbulență în funcție de caracteristicile în timp real ale evoluției structurii vortexului și poate prezice cu precizie procesul de ardere instabil în flăcări turbulente.

Simulare mare turbionar a procesului complet de atomizare

Majoritatea combustibilului folosit în camera de ardere a unui motor de avion este combustibil lichid. Combustibilul lichid intră în camera de ardere și suferă procese de atomizare primară și atomizare secundară. Există multe dificultăți în simularea procesului complet de atomizare a combustibilului lichid, inclusiv captarea configurației interfeței topologice în două faze gaz-lichid, deformarea și ruperea coloanei de lichid, evoluția de rupere a benzilor de lichid și a filamentelor lichide în picături și interacțiunea dintre fluxul turbulent și picături. Huang Ziwei [19] a dezvoltat un model complet de simulare a procesului de atomizare bazat pe metoda VLES cuplată cu metoda de calcul a atomizării hibride VOFDPM, realizând simularea numerică completă a procesului de atomizare a combustibilului de la lichid continuu la picături discrete.

Un model de simulare a procesului de atomizare nou dezvoltat a fost utilizat pentru a efectua calcule numerice de înaltă precizie ale procesului clasic de atomizare a coloanei de lichid cu curgere laterală și a fost făcută o comparație detaliată cu rezultatele experimentale din literatura deschisă [20] și rezultatele calculului de simulare a turbiilor mari [21]. În exemplul de calcul, faza gazoasă este aerul cu viteze de 77.89, respectiv 110.0 m/s, iar faza lichidă este apă lichidă cu o viteză de 8.6 m/s. Numerele Weber corespunzătoare sunt 100 și, respectiv, 200. Pentru a simula mai bine procesul de despărțire secundară, modelul de despărțire adoptă modelul Kelvin-Helmholtz și Rayleigh-Taylor (KHRT).

Procesul complet de atomizare prezis de VLES în condiția numărului Weber 100 este prezentat în Figura 8. După cum se poate vedea din figură, în zona inițială se formează o foaie subțire de coloană de lichid, apoi coloana de lichid se rupe în benzi de lichid și filamente lichide și se rupe în picături sub acțiunea forței aerodinamice, iar picăturile sunt rupte în continuare în picături mai mici. Viteza fluxului și distribuția vorticității în funcție de interval calculate de VLES în condiția numărului Weber 100 sunt prezentate în Figura 9. După cum se poate vedea din figură, există o zonă tipică de recirculare cu viteză mică pe partea sub vânt a coloanei de lichid. Din distribuția instantanee a vorticității se poate constata că partea sub vânt a coloanei de lichid prezintă o structură puternică de vortex, iar mișcarea puternică turbulentă în zona de recirculare cu viteză mică contribuie la ruperea foii coloanei de lichid și la formarea picăturilor.

Raportul dintre diametrul inițial al jetului și dimensiunea minimă a debitului jetului de lichid atunci când coloana de lichid începe să se spargă sub diferite numere Weber este prezentat în Figura 10. În figură, di este dimensiunea minimă a debitului jetului de lichid atunci când coloana de lichid începe să se spargă, iar D3 este diametrul inițial al jetului de lichid. Din figură se poate observa că rezultatele calculului VLES sunt în concordanță bună cu rezultatele experimentale, care sunt mai bune decât rezultatele calculului de simulare a turbiilor mari din literatură [21].

Instabilitatea arderii Foarte mare Simulare Eddy

Pentru a îndeplini cerințele de emisii scăzute, camerele de ardere a aeronavelor civile sunt de obicei proiectate cu ardere slabă preamestecată sau parțial preamestecată. Cu toate acestea, arderea preamestecată slabă are o stabilitate slabă și este predispusă la excitarea modurilor de ardere cu oscilație cuplată termoacustică, ceea ce duce la instabilitatea arderii. Instabilitatea de ardere este extrem de distructivă și poate fi însoțită de probleme precum flashback și deformarea solidă, care este o problemă importantă cu care se confruntă proiectarea camerei de ardere.

Calculul numeric al instabilității arderii poate fi împărțit în două categorii: metoda decuplării și metoda cuplajului direct. Metoda de predicție a instabilității arderii decuplate decuplează arderea instabilă și soluțiile acustice. Arderea instabilă necesită un număr mare de mostre de calcul numeric pentru a construi o funcție fiabilă de descriere a flăcării. Dacă se folosește metoda de calcul de simulare a turbiilor mari, consumul de resurse de calcul este prea mare. Metoda de calcul al cuplării directe se bazează pe metoda soluției compresibile și obține în mod direct rezultatul instabilității arderii printr-un calcul instabil de înaltă precizie, adică procesul de calcul al cuplării arderii instabile și acusticii în condiții de lucru date este finalizat la un moment dat în același cadru de calcul.

În studiul simulării numerice a decuplării instabilității combustiei, Huang și colab. [27] a dezvoltat un model de calcul al instabilității arderii bazat pe metoda VLES cuplată cu metoda de calcul a flăcării de îngroșare și a realizat o predicție precisă a procesului de ardere instabil sub excitație acustică. Exemplul de calcul este o flacără staționară de etilenă/aer, complet premixată, dezvoltată de Universitatea Cambridge, cu un raport de echivalență de 0.55 și un număr Reynolds de aproximativ 17000. Comparația dintre rezultatele calculului VLES și rezultatele experimentale ale caracteristicilor dinamice ale flăcării instabile sub excitație acustică este prezentată în figura 12 din procesul de excitare. flacăra se rostogolește în straturile de forfecare interioare și exterioare și evoluează într-o pereche de vortex contrarotativă. În acest proces, evoluția profilului flăcării în formă de ciupercă continuă să se dezvolte odată cu schimbarea unghiului de fază. Rezultatele calculului VLES reproduc bine caracteristicile de evoluție a flăcării observate în experiment. Comparația dintre amplitudinea și diferența de fază a răspunsului ratei de eliberare a căldurii sub excitația acustică de 160 Hz obținută prin diferite metode de calcul și măsurători experimentale este prezentată în Figura 13. În figură, Q' și Q͂ sunt eliberarea de căldură pulsatorie și, respectiv, eliberarea medie de căldură a arderii, A este amplitudinea excitației acustice sinusoidale, iar ordonata din Figura 13 (b) este diferența de fază dintre semnalul tranzitoriu de eliberare a căldurii de ardere sub excitație acustică și semnalul de excitare a vitezei de intrare. După cum se poate observa din figură, acuratețea de predicție a metodei VLES este comparabilă cu acuratețea simulării cu turbulențe mari [28] și ambele sunt în acord bun cu valorile experimentale. Deși metoda RANS instabilă prezice tendința răspunsului neliniar, rezultatele cantitative calculate se abat mult de la valorile experimentale. Pentru rezultatele diferenței de fază (Figura 13 (b)), tendința diferenței de fază prezisă de metoda VLES cu amplitudinea perturbației este practic în concordanță cu rezultatele experimentale, în timp ce rezultatele mari de simulare a turbiilor nu prezic bine tendința de mai sus.