Прогресс в исследовании аэродинамических характеристик камеры сгорания авиационного двигателя на основе моделирования крупных вихрей

Прогресс в исследовании аэродинамических характеристик камеры сгорания авиационного двигателя на основе моделирования крупных вихрей

Камера сгорания является одним из основных компонентов авиационного двигателя, и аэродинамические характеристики камеры сгорания играют жизненно важную роль в работе всего двигателя. Для того чтобы соответствовать все более строгим техническим требованиям двигателя к камере сгорания, режим организации сгорания и характеристики потока внутри камеры сгорания стали очень сложными. Процесс торможения и наддува диффузора может столкнуться с разделением потока при сильном неблагоприятном градиенте давления; воздушный поток проходит через многоступенчатое вихревое устройство, образуя крупномасштабную вихревую структуру, которая, с одной стороны, способствует распылению и испарению жидкого топлива и образует сильно пульсирующую, неустойчивую смесь с топливом, а с другой стороны, создает стационарное пламя в зоне аэродинамической рециркуляции; множественные струи основного отверстия сгорания/смеси взаимодействуют с боковым потоком в жаровой трубе, образуя пару вихрей, вращающихся в противоположных направлениях, что оказывает важное влияние на турбулентное смешивание. На основе потока, многомасштабные физические и химические процессы, такие как распыление и испарение, смешивание, химическая реакция и взаимодействие между турбулентностью и пламенем, тесно связаны, которые совместно определяют аэродинамические характеристики камеры сгорания. Высокоточное моделирование и расчет этих физических и химических процессов всегда были горячей темой исследований в стране и за рубежом.

Процессы распыления, испарения, смешивания и сгорания в камере сгорания развиваются и эволюционируют в турбулентной среде потока, поэтому поток является основой для моделирования аэродинамических характеристик камеры сгорания. Основной характеристикой турбулентности является то, что параметры потока показывают случайную пульсацию из-за нелинейного процесса конвекции. Турбулентность содержит множество вихревых структур. Размахи различных вихрей по длине и временным масштабам огромны, и с увеличением числа Рейнольдса размахи между масштабами резко увеличиваются. Согласно доле турбулентных вихревых структур, которые решаются напрямую, моделирование турбулентности Методы делятся на прямое численное моделирование (DNS), усредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса (RANS), моделирование крупных вихрей (LES) и смешанные методы моделирования турбулентности. Метод RANS, который широко используется в машиностроении, решает турбулентное среднее поле и использует модель для моделирования всей информации о турбулентной пульсации. Объем вычислений невелик, но точность низкая. Для сильных вихревых и нестационарных процессов течения в камере сгорания RANS не может удовлетворить требованиям усовершенствованного проектирования. Питч отметил, что вычислительная сложность LES находится между RANS и DNS и в настоящее время используется для расчетов турбулентного горения в неограниченных пространствах со средними и низкими числами Рейнольдса. Из-за малого масштаба турбулентности в пристеночной области камеры сгорания и высокого числа Рейнольдса потока количество сеток, необходимых для расчета LES только одной головки камеры сгорания, составляет от сотен миллионов до миллиардов. Столь высокое потребление вычислительных ресурсов ограничивает широкое использование LES в моделировании камер сгорания.

Создание высокоточных моделей и методов расчета на основе фреймворков Very Large Eddy Simulation (VLES) и Hybrid RANS-LES Method является важной тенденцией в численном моделировании. Метод VLES, разработанный Ханом и др., решает проблему низкой вычислительной эффективности, вызванной фильтрацией масштаба сетки и решением ограничений соответствия масштаба турбулентности в традиционном LES, и реализует моделирование связи между многомасштабными характеристиками турбулентности, характеристиками переходной эволюции и разрешением сетки. VLES адаптивно регулирует соотношение между решением турбулентности и моделированием модели на основе характеристик эволюции вихревой структуры в реальном времени, значительно сокращая вычислительные затраты и обеспечивая точность расчета.

Тем не менее, по сравнению с традиционным LES, теория и характеристики VLES не были широко изучены и использованы. В этой статье систематически представлена ​​теория моделирования VLES и эффекты ее применения в различных физических сценариях, связанных с камерами сгорания, что способствует широкомасштабному применению VLES в области моделирования камер сгорания авиационных двигателей.

Метод моделирования больших вихрей

Влияние методов моделирования турбулентности на потребление вычислительных ресурсов и модели показано на рисунке 1. Методы RANS, LES и VLES достигают моделирования потока посредством моделирования турбулентности. Следует отметить, что самое раннее четкое определение VLES было дано Поупом, который ссылается на «масштаб вычислительной сетки слишком грубый, так что непосредственно решенная кинетическая энергия турбулентности составляет менее 80% от общей кинетической энергии турбулентности». В то же время, значение LES, данное Поупом [6], заключается в том, что «вычислительная сетка очень мелкая, так что непосредственно решенная кинетическая энергия турбулентности составляет более 80% от общей кинетической энергии турбулентности». Тем не менее, следует отметить, что VLES, представленный в этой статье, является новым вычислительным методом, который был переработан и разработан на основе предыдущего метода. Хотя названия одинаковы, новый метод VLES существенно отличается от метода VLES, определенного Поупом. Как видно из рисунка, традиционные режимы турбулентности — это RANS, URANS, гибридный RANS/LES, LES и DNS в порядке точности расчетов. В рамках новой модели режимы турбулентности делятся на RANS, VLES и DNS в порядке точности расчетов. То есть метод VLES реализует объединение нескольких традиционных режимов турбулентности, а различные модели адаптивно переходят и плавно преобразуются в соответствии с локальными характеристиками в реальных расчетах.

Моделирование типичных физических процессов в камере сгорания

Моделирование очень больших вихрей сильного завихренного потока

Камера сгорания двигателя самолета обычно принимает формы организации поля потока, такие как многоступенчатый вихрь и сильный вихрь. Вихревой поток является самой базовой формой потока в камере сгорания. Поскольку вихрь доминирует как в направлении потока, так и в тангенциальном направлении, турбулентная пульсация вихря имеет более сильную анизотропию, чем традиционный поток в трубе, поток в канале и струйный поток. Поэтому численное моделирование вихря представляет собой большую проблему для метода моделирования турбулентности. Ся и др. использовали метод VLES для расчета классического примера сильного вихревого потока в трубе; Делленбек и др. [14] провели эксперименты с полем потока на этом примере и получили подробные экспериментальные данные. Число Рейнольдса потока в расчетном примере равно 1.0×105 (на основе диаметра круглой трубы), а число завихрений равно 1.23. В расчетах используются два набора структурированных сеток. Общее количество разреженных сеток (M1) составляет около 900,000 2, а общее количество зашифрованных сеток (M5.1) составляет около XNUMX миллиона. Результаты статистических моментов, полученные расчетом, далее сравниваются с экспериментальными результатами для проверки точности расчетов метода VLES.

Сравнение результатов расчета различными методами и экспериментальных результатов радиального распределения окружной средней скорости и пульсационной скорости в различных положениях вниз по потоку при сильном закрученном потоке показано на рисунке 4. На рисунке горизонтальные и вертикальные координаты представляют собой безразмерное расстояние и безразмерную скорость соответственно, где D1 - диаметр входной круглой трубы, а Uin - средняя скорость на входе. Как видно из рисунка, поле течения показывает типичный составной вихрь типа Ранкина, постепенно переходящий в одиночный вихрь жесткого тела. Сравнивая расчетные и экспериментальные результаты, можно обнаружить, что метод VLES имеет высокую точность расчета для прогнозирования окружной скорости сильного закрученного потока, что хорошо согласуется с распределением экспериментальных измерений. Традиционный метод RANS имеет очень большое отклонение в расчете вихревого потока и не может правильно предсказать пространственную эволюцию поля вихревого потока и турбулентную пульсацию. Для сравнения, метод VLES имеет очень высокую точность в прогнозировании поля средней скорости, поля пульсирующей скорости и пространственной эволюции в условиях сложного сильного закрученного потока и может гарантировать высокую точность расчета даже при относительно редком разрешении сетки. Для прогнозирования окружной средней скорости результаты расчета метода VLES в основном согласованы при двух наборах разрешений редкой и плотной сетки.

Моделирование турбулентного горения с помощью крупных вихрей

Для изучения возможности использования метода VLES в прогнозировании проблем турбулентного горения [15-16] была разработана модель турбулентного горения, основанная на методе VLES в сочетании с многообразиями, генерируемыми пламенем (FGM). Основная идея заключается в предположении, что турбулентное пламя локально имеет одномерную ламинарную структуру пламени, а поверхность турбулентного пламени является средним по ансамблю ряда поверхностей ламинарного пламени. Таким образом, многомерное компонентное пространство может быть отображено на низкоразмерную модель потока, состоящую из нескольких характерных переменных (доля смеси, переменная хода реакции и т. д.). При условии рассмотрения подробного механизма реакции количество решаемых уравнений переноса значительно сокращается, тем самым существенно снижая вычислительные затраты.

Конкретный процесс реализации заключается в построении таблицы ламинарных данных FGM на основе переменных доли смеси и хода реакции, рассмотрении взаимодействия между турбулентным горением путем предположения метода функции плотности вероятности для интеграции таблицы ламинарных данных и, таким образом, получении таблицы турбулентных данных. В численном расчете решаются уравнения переноса доли смеси, переменных хода реакции и соответствующей дисперсии, а информация о поле горения получается путем запроса таблицы турбулентных данных.

Модель турбулентного горения на основе VLES и FGM использовалась для проведения численных расчетов на пламени турбулентной струи метана/воздуха (Flame D), измеренном лабораторией Sandia в США, и были проведены количественные сравнения с данными экспериментальных измерений. Топливный материал примера Sandia Flame D (число Рейнольдса составляет 22400) представляет собой полную смесь метана и воздуха с объемным соотношением 1:3, скорость впуска топлива составляет около 49.9 м/с, а скорость следа составляет около 11.4 м/с. Рабочее пламя представляет собой смесь сгоревшего метана и воздуха, а материал следа - чистый воздух. В расчете используется структурированная сетка, а общее количество сеток составляет около 1.9 миллиона.

Распределение средней массовой доли различных компонентов вдоль оси показано на рисунке 5. Горизонтальные и вертикальные координаты на рисунке представляют собой безразмерное расстояние (D2 — диаметр входной струйной трубы) и безразмерную массовую долю соответственно. Из рисунка видно, что прогноз основных компонентов процесса горения методом VLES в целом хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Рассеянное распределение температуры в различных положениях вниз по потоку в пространстве фракций смеси показано на рисунке 6. Из рисунка видно, что тенденция рассеянного распределения, предсказанная методом VLES, в основном согласуется с экспериментальными результатами, и только расчетное экстремальное значение температуры немного превышает экспериментальное значение. Распределение мгновенной завихренности, температуры и функции управления разрешением, рассчитанной с помощью VLES, показано на рисунке 7, где сплошная линия принята за Zst=0.351. Из рисунка видно, что область ядра струи демонстрирует сильную турбулентную пульсацию, и по мере развития поля течения вниз по потоку масштаб вихревой структуры постепенно увеличивается. Как видно из рисунков 7 (b) и (c), в большинстве областей химических реакций функция управления разрешением находится между 0 и 1, что указывает на то, что локальное разрешение сетки может захватывать крупномасштабную турбулентность и моделировать только мелкомасштабную турбулентность через модель. В это время VLES ведет себя как приближенный режим решения моделирования крупных вихрей. В слое сдвига струи и внешнем крае пламени ниже по потоку функция управления разрешением близка к 1, что указывает на то, что усеченный масштаб фильтра вычислительной сетки больше локального масштаба турбулентности. В это время VLES ведет себя как нестационарный режим решения среднего Рейнольдса. Подводя итог, можно увидеть, что метод VLES может реализовать преобразование множественных режимов решения турбулентности в соответствии с характеристиками эволюции вихревой структуры в реальном времени и может точно предсказать нестационарный процесс горения в турбулентном пламени.

Моделирование полного процесса распыления с помощью больших вихрей

Большая часть топлива, используемого в камере сгорания авиационного двигателя, представляет собой жидкое топливо. Жидкое топливо поступает в камеру сгорания и проходит процессы первичного распыления и вторичного распыления. Существует множество трудностей при моделировании полного процесса распыления жидкого топлива, включая захват двухфазной топологической конфигурации интерфейса газ-жидкость, деформацию и разрыв столба жидкости, эволюцию распада жидких полос и жидких нитей на капли и взаимодействие между турбулентным потоком и каплями. Хуан Цзывэй [19] разработал полную модель имитации процесса распыления, основанную на методе VLES в сочетании с гибридным методом расчета распыления VOFDPM, реализуя полнопроцессное численное моделирование распыления топлива от непрерывной жидкости до дискретных капель.

Недавно разработанная модель моделирования процесса распыления использовалась для проведения высокоточных численных расчетов классического процесса распыления столба жидкости с боковым потоком, и было проведено подробное сравнение с экспериментальными результатами в открытой литературе [20] и результатами расчета моделирования больших вихрей [21]. В примере расчета газовая фаза представляет собой воздух со скоростями 77.89 и 110.0 м/с соответственно, а жидкая фаза представляет собой жидкую воду со скоростью 8.6 м/с. Соответствующие числа Вебера составляют 100 и 200 соответственно. Для лучшего моделирования процесса вторичного распада модель распада принимает модель Кельвина-Гельмгольца и Рэлея-Тейлора (KHRT).

Полный процесс распыления, предсказанный VLES при условии числа Вебера 100, показан на рисунке 8. Как видно из рисунка, в начальной области образуется тонкая пленка столба жидкости, а затем столб жидкости распадается на жидкие полосы и жидкие нити и распадается на капли под действием аэродинамической силы, а капли далее распадаются на более мелкие капли посредством вторичного распада. Скорость потока и распределение завихренности по размаху, рассчитанные VLES при условии числа Вебера 100, показаны на рисунке 9. Как видно из рисунка, на подветренной стороне столба жидкости имеется типичная зона низкоскоростной рециркуляции. Из мгновенного распределения завихренности можно обнаружить, что подветренная сторона столба жидкости демонстрирует сильную вихревую структуру, а сильное турбулентное движение в зоне низкоскоростной рециркуляции способствует разрыву пленки столба жидкости и образованию капель.

Отношение начального диаметра струи к минимальному размеру потока струи жидкости, когда столб жидкости начинает распадаться при различных числах Вебера, показано на рисунке 10. На рисунке di — минимальный размер потока струи жидкости, когда столб жидкости начинает распадаться, а D3 — начальный диаметр струи жидкости. Из рисунка видно, что результаты расчета VLES хорошо согласуются с экспериментальными результатами, которые лучше, чем результаты расчета моделирования крупных вихрей в литературе [21].

Моделирование нестабильности горения с очень большими вихрями

Для того чтобы соответствовать требованиям низкого уровня выбросов, камеры сгорания гражданских самолетов обычно проектируются с предварительным или частично предварительным смешиванием обедненной смеси. Однако предварительный сжиженный бедный материал имеет низкую стабильность и склонен возбуждать термоакустические связанные колебательные режимы сгорания, что приводит к нестабильности горения. Нестабильность горения очень разрушительна и может сопровождаться такими проблемами, как обратный удар и деформация твердого тела, что является важной проблемой, с которой сталкивается конструкция камеры сгорания.

Численный расчет неустойчивости горения можно разделить на две категории: метод развязки и метод прямой связи. Метод прогнозирования неустойчивости развязанного горения развязывает нестационарное горение и акустические решения. Нестационарное горение требует большого количества численных расчетных образцов для построения надежной функции описания пламени. Если используется метод расчета моделирования больших вихрей, его вычислительные ресурсы потребляются слишком большими. Метод расчета прямой связи основан на методе сжимаемого решения и напрямую получает результат неустойчивости горения с помощью высокоточного нестационарного расчета, то есть процесс расчета связи нестационарного горения и акустики при заданных рабочих условиях завершается одновременно в одной и той же вычислительной структуре.

В исследовании численного моделирования разделения неустойчивости горения Хуан и др. [27] разработали модель расчета неустойчивости горения, основанную на методе VLES, связанном с методом расчета загустевания пламени, и достигли точного прогнозирования нестационарного процесса горения при акустическом возбуждении. Примером расчета является стационарное пламя этилена/воздуха с тупым телом, разработанное Кембриджским университетом, с коэффициентом эквивалентности 0.55 и числом Рейнольдса около 17000. Сравнение результатов расчета VLES и экспериментальных результатов динамических характеристик нестационарного пламени при акустическом возбуждении показано на рисунке 12. Из рисунка видно, что во время процесса возбуждения на входе пламя перекатывается на внутреннем и внешнем слоях сдвига и превращается в пару вихрей, вращающихся в противоположных направлениях. В этом процессе эволюция грибовидного профиля пламени продолжает развиваться с изменением фазового угла. Результаты расчета VLES хорошо воспроизводят характеристики эволюции пламени, наблюдаемые в эксперименте. Сравнение амплитуды и разности фаз отклика скорости тепловыделения при акустическом возбуждении частотой 160 Гц, полученных различными методами расчета и экспериментальными измерениями, показано на рисунке 13. На рисунке Q' и Q͂ - пульсирующее тепловыделение и среднее тепловыделение горения соответственно, A - амплитуда синусоидального акустического возбуждения, а ордината рисунка 13 (b) - разность фаз между сигналом переходного тепловыделения горения при акустическом возбуждении и сигналом возбуждения скорости на входе. Как видно из рисунка, точность прогнозирования метода VLES сопоставима с точностью моделирования крупных вихрей [28], и оба хорошо согласуются с экспериментальными значениями. Хотя нестационарный метод RANS предсказывает тенденцию нелинейного отклика, рассчитанные количественные результаты сильно отклоняются от экспериментальных значений. Для результатов разности фаз (рисунок 13 (b)) тенденция разности фаз, предсказанная методом VLES с амплитудой возмущения, в основном согласуется с экспериментальными результатами, в то время как результаты моделирования крупных вихрей не предсказывают вышеуказанную тенденцию хорошо.