Pokrok vo výskume aerodynamického výkonu spaľovacej komory leteckého motora na základe simulácie veľkých vírov

Pokrok vo výskume aerodynamického výkonu spaľovacej komory leteckého motora na základe simulácie veľkých vírov

Spaľovacia komora je jednou zo základných súčastí leteckého motora a aerodynamický výkon spaľovacej komory hrá zásadnú úlohu pri výkone celého motora. Aby sa splnili stále prísnejšie technické požiadavky motora na spaľovací priestor, režim organizácie spaľovania a prietokové charakteristiky vo vnútri spaľovacej komory sa stali veľmi zložitými. Proces spomaľovania a tlakovania difúzora môže čeliť oddeleniu prúdenia pri silnom nepriaznivom tlakovom gradiente; prúd vzduchu prechádza viacstupňovým vírivým zariadením a vytvára veľkorozmernú vírivú štruktúru, ktorá na jednej strane podporuje rozprašovanie a odparovanie kvapalného paliva a vytvára silne pulzujúcu, nestabilnú zmes s palivom a na druhej strane vytvára stacionárny plameň v aerodynamickej recirkulačnej zóne; viacnásobné prúdy hlavného spaľovacieho/zmiešavacieho otvoru interagujú s bočným prúdením v plameňovej trubici a vytvárajú protibežne sa otáčajúci vírový pár, ktorý má dôležitý vplyv na turbulentné miešanie. Na základe prúdenia sú silne prepojené viacrozmerné fyzikálne a chemické procesy, ako je atomizácia a vyparovanie, miešanie, chemická reakcia a interakcia medzi turbulenciou a plameňom, ktoré spoločne určujú aerodynamické charakteristiky spaľovacej komory. Vysoko presné modelovanie a výpočty týchto fyzikálnych a chemických procesov boli vždy horúcou témou výskumu doma i v zahraničí.

Procesy rozprašovania, odparovania, miešania a spaľovania v spaľovacej komore sa vyvíjajú a vyvíjajú v prostredí turbulentného prúdenia, takže prúdenie je základom pre simuláciu aerodynamického výkonu spaľovacej komory. Základnou charakteristikou turbulencie je, že parametre prúdenia vykazujú náhodné pulzovanie v dôsledku procesu nelineárnej konvekcie. Turbulencia obsahuje veľa vírových štruktúr. Rozpätia rôznych vírov v dĺžke a časových mierkach sú obrovské a ako sa Reynoldsovo číslo zvyšuje, rozpätia medzi stupnicami sa prudko zväčšujú. Podľa podielu turbulentných vírových štruktúr, ktoré sú priamo riešené, simulácia turbulencie metódy sa delia na priamu numerickú simuláciu (DNS), Reynoldsov-Averaged Navier-Stokes (RANS), simuláciu veľkých vírov (LES) a metódy simulácie zmiešanej turbulencie. Metóda RANS, ktorá je široko používaná v strojárstve, rieši turbulentné stredné pole a využíva model na simuláciu všetkých informácií o turbulentných pulzáciách. Množstvo výpočtu je malé, ale presnosť je nízka. Pre silné vírenie a nestabilné prúdenie v spaľovacej komore nemôže RANS spĺňať požiadavky rafinovaného dizajnu. Pitsch poukázal na to, že výpočtová zložitosť LES je medzi RANS a DNS a v súčasnosti sa používa na výpočty turbulentného spaľovania v neobmedzených priestoroch so strednými a nízkymi Reynoldsovými číslami. Kvôli malému rozsahu turbulencií v oblasti blízko steny spaľovacej komory a vysokému Reynoldsovmu číslu prietoku sa množstvo mriežok potrebných na výpočet LES len jednej hlavy spaľovacej komory pohybuje v stovkách miliónov až miliardách. Takáto vysoká spotreba výpočtových zdrojov obmedzuje rozšírené používanie LES v simuláciách spaľovacích komôr.

Zavedenie vysoko presných výpočtových modelov a metód založených na rámcoch Very Large Eddy Simulation (VLES) a Hybrid RANS-LES Method je dôležitým trendom v numerickej simulácii. Metóda VLES vyvinutá Hanom a kol. rieši problém nízkej výpočtovej efektivity spôsobenej filtrovaním mriežkovej škály a riešením obmedzení prispôsobenia turbulencií v tradičnom LES a realizuje modelovanie spojenia medzi turbulenciou vo viacerých mierkach, charakteristikami prechodného vývoja a rozlíšením mriežky. , VLES adaptívne upravuje pomer medzi riešením turbulencie a modelovaním modelu na základe charakteristík vývoja vírovej štruktúry v reálnom čase, čím výrazne znižuje náklady na výpočty a zároveň zabezpečuje presnosť výpočtu.

V porovnaní s tradičnými LES však teória a charakteristiky VLES neboli široko študované a používané. Tento článok systematicky predstavuje teóriu modelovania VLES a jej aplikačné účinky v rôznych fyzikálnych scenároch týkajúcich sa spaľovacích komôr, čím podporuje rozsiahlu aplikáciu VLES v oblasti simulácie spaľovacích komôr leteckých motorov.

Metóda simulácie veľkých vírov

Vplyv metód simulácie turbulencií na výpočtovú spotrebu zdrojov a modely je znázornený na obrázku 1. Všetky metódy RANS, LES a VLES dosahujú simuláciu prúdenia prostredníctvom modelovania turbulencií. Treba poznamenať, že najskoršiu jasnú definíciu VLES dal Pope, ktorá odkazuje na „výpočtová mriežka je príliš hrubá, takže priamo vyriešená turbulentná kinetická energia je menšia ako 80 % celkovej turbulentnej kinetickej energie“. Zároveň význam LES daný pápežom [6] je „výpočtová mriežka je veľmi jemná, takže priamo riešená turbulentná kinetická energia je väčšia ako 80 % celkovej kinetickej turbulentnej energie“. Napriek tomu je potrebné poznamenať, že VLES predstavený v tomto článku je nová výpočtová metóda, ktorá bola prerobená a vyvinutá na základe predchádzajúcej metódy. Aj keď sú názvy rovnaké, nová metóda VLES sa podstatne líši od metódy VLES definovanej pápežom. Ako je možné vidieť z obrázku, tradičné režimy turbulencie sú RANS, URANS, hybridné RANS/LES, LES a DNS v poradí podľa presnosti výpočtu. V rámci nového modelového rámca sú režimy turbulencie rozdelené na RANS, VLES a DNS v poradí presnosti výpočtu. To znamená, že metóda VLES realizuje zjednotenie viacerých tradičných režimov turbulencie a rôzne modely sa pri skutočných výpočtoch prispôsobujú a konvertujú hladko podľa miestnych charakteristík.

Simulácia typických fyzikálnych procesov v spaľovacej komore

Veľmi veľká vírivá simulácia silného vírivého prúdenia

Spaľovacia komora leteckého motora zvyčajne využíva formy organizácie prúdového poľa, ako je viacstupňové vírenie a silné vírenie. Vírivé prúdenie je najzákladnejšou formou prúdenia v spaľovacej komore. Pretože vír je dominantný v smere prúdenia aj v tangenciálnom smere, turbulentná pulzácia vírenia má silnejšiu anizotropiu ako tradičný potrubný prúd, kanálový prúd a prúdový prúd. Preto numerická simulácia vírenia predstavuje veľkú výzvu pre metódu simulácie turbulencie. Xia a kol. použil metódu VLES na výpočet klasického príkladu silného vírivého prúdenia v trubici; Dellenback a kol. [14] vykonali na tomto príklade experimenty s prietokom a majú podrobné experimentálne údaje. Prietokové Reynoldsovo číslo vypočítaného príkladu je 1.0×105 (na základe priemeru kruhovej rúrky) a číslo vírenia je 1.23. Pri výpočte sa používajú dve sady štruktúrovaných sietí. Celkový počet riedkych mriežok (M1) je asi 900,000 2 a celkový počet šifrovaných mriežok (M5.1) je asi XNUMX milióna. Výsledky štatistických momentov získané výpočtom sa ďalej porovnávajú s experimentálnymi výsledkami, aby sa overila presnosť výpočtu metódy VLES.

Porovnanie výsledkov výpočtov rôznych metód a experimentálnych výsledkov radiálneho rozloženia priemernej obvodovej rýchlosti a pulzačnej rýchlosti v rôznych polohách po prúde pri silnom vírivom prúdení je znázornené na obrázku 4. Na obrázku sú horizontálne a vertikálne súradnice bezrozmerná vzdialenosť a bezrozmerná rýchlosť, kde D1 je priemer vstupného kruhového potrubia a priemerná rýchlosť Uin. Ako je možné vidieť z obrázku, prietokové pole ukazuje typický Rankinov zložený vír postupne prechádzajúci do jediného tuhého telesného víru. Porovnaním výpočtov a experimentálnych výsledkov možno zistiť, že metóda VLES má vysokú presnosť výpočtu pre predikciu obvodovej rýchlosti silného vírivého prúdenia, čo je v dobrej zhode s rozložením experimentálnych meraní. Tradičná metóda RANS má veľmi veľkú odchýlku vo výpočte vírivého prúdenia a nedokáže správne predpovedať priestorový vývoj poľa vírivého prúdenia a turbulentnú pulzáciu. Na porovnanie, metóda VLES má veľmi vysokú presnosť v predpovedi poľa priemernej rýchlosti, pulzujúceho rýchlostného poľa a priestorového vývoja pri komplexnom silnom vírivom toku a stále môže zaručiť vysokú presnosť výpočtu aj pri relatívne riedkom rozlíšení mriežky. Na predpovedanie priemernej obvodovej rýchlosti sú výsledky výpočtu metódy VLES v zásade konzistentné pri dvoch súboroch rozlíšenia riedkych a hustých mriežok.

Veľká vírivá simulácia turbulentného spaľovania

Aby bolo možné študovať uskutočniteľnosť metódy VLES pri predpovedaní problémov s turbulentným spaľovaním [15-16], bol vyvinutý model turbulentného spaľovania založený na metóde VLES spojený s rozdeľovačmi generovanými plameňmi (FGM). Základnou myšlienkou je predpokladať, že turbulentný plameň má lokálne jednorozmernú štruktúru laminárneho plameňa a povrch turbulentného plameňa je súborovým priemerom radu povrchov laminárneho plameňa. Preto môže byť priestor vysokorozmerných komponentov mapovaný na nízkorozmerný prúdový vzor zložený z niekoľkých charakteristických premenných (zmesová frakcia, premenná priebehu reakcie atď.). Pod podmienkou zváženia podrobného reakčného mechanizmu sa počet transportných rovníc, ktoré sa majú vyriešiť, značne zníži, čím sa výrazne znížia výpočtové náklady.

Špecifickým implementačným procesom je zostaviť tabuľku laminárnych údajov FGM na základe premenných frakcie zmesi a priebehu reakcie, zvážiť interakciu medzi turbulentným spaľovaním za predpokladu, že metóda funkcie hustoty pravdepodobnosti integruje tabuľku laminárnych údajov, a tak získať tabuľku turbulentných údajov. V numerickom výpočte sa riešia transportné rovnice frakcie zmesi, premenné priebehu reakcie a zodpovedajúci rozptyl a informácie o spaľovacom poli sa získajú dotazom na tabuľku turbulentných údajov.

Model turbulentného spaľovania založený na VLES a FGM sa použil na vykonanie numerických výpočtov turbulentného prúdového plameňa metán/vzduch (Flame D) meraného laboratóriom Sandia v Spojených štátoch a vykonali sa kvantitatívne porovnania s údajmi z experimentálnych meraní. Palivový materiál v príklade Sandia Flame D (Reynoldsovo číslo je 22400) je kompletná zmes metánu a vzduchu s objemovým pomerom 1:3, rýchlosť prívodu paliva je približne 49.9 m/s a rýchlosť prúdenia vzduchu je približne 11.4 m/s. Pracovný plameň je zmesou spáleného metánu a vzduchu a materiálom prebudenia je čistý vzduch. Výpočet využíva štruktúrovanú mriežku a celkový počet mriežok je približne 1.9 milióna.

Distribúcia priemerného hmotnostného zlomku rôznych komponentov pozdĺž osi je znázornená na obrázku 5. Horizontálne a vertikálne súradnice na obrázku sú bezrozmerná vzdialenosť (D2 je priemer vstupnej trysky) a bezrozmerný hmotnostný zlomok. Z obrázku je vidieť, že predpoveď hlavných zložiek spaľovacieho procesu metódou VLES je vo všeobecnosti v dobrej zhode s experimentálnymi výsledkami. Rozptýlené rozloženie teploty v rôznych polohách po prúde v priestore frakcie zmesi je znázornené na obrázku 6. Z obrázku je vidieť, že trend rozptýleného rozloženia predpovedaný metódou VLES je v zásade konzistentný s experimentálnymi výsledkami a iba vypočítaná extrémna hodnota teploty je o niečo vyššia ako experimentálna hodnota. Distribúcia funkcie okamžitej vírivosti, teploty a rozlíšenia vypočítanej pomocou VLES je znázornená na obrázku 7, kde plná čiara je braná ako Zst=0.351. Z obrázku je možné vidieť, že oblasť jadrového prúdu vykazuje silnú turbulentnú pulzáciu a ako sa prúdové pole vyvíja po prúde, mierka vírovej štruktúry sa postupne zvyšuje. Ako je možné vidieť na obrázku 7 (b) a (c), vo väčšine oblastí chemických reakcií je funkcia riadenia rozlíšenia medzi 0 a 1, čo naznačuje, že rozlíšenie lokálnej mriežky môže zachytiť turbulencie vo veľkom meradle a len simulovať turbulencie v malom meradle prostredníctvom modelu. V tomto čase sa VLES chová ako približný režim riešenia simulácie veľkých vírov. Vo vrstve strihu prúdu a vonkajšom okraji plameňa po prúde je funkcia riadenia rozlíšenia blízka 1, čo naznačuje, že stupnica skráteného filtra výpočtovej mriežky je väčšia ako mierka lokálnej turbulencie. V tomto čase sa VLES správa ako nestabilný režim priemerného Reynoldsovho riešenia. V súhrne možno vidieť, že metóda VLES môže realizovať transformáciu viacerých režimov riešenia turbulencie podľa charakteristík vývoja vírovej štruktúry v reálnom čase a môže presne predpovedať nestabilný proces spaľovania v turbulentných plameňoch.

Veľká vírivá simulácia úplného procesu atomizácie

Väčšina paliva používaného v spaľovacej komore leteckého motora je kvapalné palivo. Kvapalné palivo vstupuje do spaľovacej komory a prechádza procesom primárnej atomizácie a sekundárnej atomizácie. Existuje mnoho ťažkostí pri simulácii úplného procesu rozprašovania kvapalného paliva, vrátane zachytenia konfigurácie dvojfázového topologického rozhrania plyn-kvapalina, deformácie a prasknutia stĺpca kvapaliny, vývoja rozpadu pásov kvapaliny a kvapalných vlákien na kvapôčky a interakcie medzi turbulentným tokom a kvapôčkami. Huang Ziwei [19] vyvinul kompletný model simulácie procesu atomizácie založený na metóde VLES spojený s metódou výpočtu hybridnej atomizácie VOFDPM, realizujúc numerickú simuláciu celého procesu atomizácie paliva od spojitej kvapaliny po diskrétne kvapôčky.

Na uskutočnenie vysoko presných numerických výpočtov klasického procesu atomizácie kvapalinovou kolónou s laterálnym prúdením bol použitý novovyvinutý model simulácie procesu atomizácie a bolo vykonané podrobné porovnanie s experimentálnymi výsledkami v otvorenej literatúre [20] a výsledkami výpočtov simulácie veľkých vírivých prúdov [21]. V príklade výpočtu je plynnou fázou vzduch s rýchlosťami 77.89 a 110.0 m/s a kvapalnou fázou je kvapalná voda s rýchlosťou 8.6 m/s. Zodpovedajúce Weberove čísla sú 100 a 200. Aby bolo možné lepšie simulovať sekundárny proces rozpadu, model rozpadu využíva Kelvinov-Helmholtzov a Rayleigh-Taylorov (KHRT) model.

Úplný proces atomizácie predpovedaný VLES pod podmienkou Weberovo číslo 100 je znázornený na obrázku 8. Ako je možné vidieť z obrázku, v počiatočnej oblasti sa vytvorí tenká vrstva stĺpca kvapaliny a potom sa stĺpec kvapaliny rozpadne na pásy kvapaliny a kvapalné vlákna a pôsobením aerodynamickej sily sa rozpadne na kvapôčky a kvapôčky sa ďalej rozbijú na menšie kvapôčky prostredníctvom sekundárneho rozpadu. Rýchlosť prúdu a rozloženie vírenia po rozpätí vypočítané pomocou VLES za podmienok Weberovo číslo 100 sú znázornené na obrázku 9. Ako je možné vidieť z obrázku, na záveternej strane stĺpca kvapaliny je typická zóna recirkulácie nízkej rýchlosti. Z okamžitej distribúcie vírivosti možno zistiť, že záveterná strana stĺpca kvapaliny vykazuje silnú vírivú štruktúru a silný turbulentný pohyb v zóne nízkej rýchlosti recirkulácie prispieva k prasknutiu vrstvy stĺpca kvapaliny a tvorbe kvapiek.

Pomer počiatočného priemeru prúdu k minimálnemu rozmeru prúdenia prúdu kvapaliny, keď sa stĺpec kvapaliny začína rozpadať pod rôznymi Weberovými číslami, je znázornený na obrázku 10. Na obrázku je di minimálny rozmer prúdenia prúdu kvapaliny, keď sa stĺpec kvapaliny začína rozpadať, a D3 je počiatočný priemer prúdu kvapaliny. Z obrázku je vidieť, že výsledky výpočtov VLES sú v dobrej zhode s experimentálnymi výsledkami, ktoré sú lepšie ako výsledky výpočtov veľkých vírivých simulácií v literatúre [21].

Simulácia veľmi veľkej vírivej nestability spaľovania

Aby sa splnili požiadavky na nízke emisie, spaľovacie komory civilných lietadiel sú zvyčajne konštruované s predzmiešaným alebo čiastočne predzmiešaným chudobným spaľovaním. Predzmiešané spaľovanie chudobnej zmesi má však zlú stabilitu a je náchylné na vybudenie režimov spaľovania s termoakustickou viazanou osciláciou, čo vedie k nestabilite spaľovania. Nestabilita spaľovania je vysoko deštruktívna a môže byť sprevádzaná problémami, ako je spätné vzplanutie a deformácia pevných látok, čo je významný problém, ktorému čelí konštrukcia spaľovacej komory.

Numerický výpočet nestability horenia možno rozdeliť do dvoch kategórií: metóda rozpojenia a metóda priamej väzby. Metóda predpovede nestability oddeleného spaľovania oddeľuje nestabilné spaľovanie a akustické riešenia. Nestále spaľovanie vyžaduje veľký počet vzoriek numerických výpočtov na vytvorenie spoľahlivej funkcie popisu plameňa. Ak sa použije metóda výpočtu simulácie veľkých vírov, spotreba výpočtových zdrojov je príliš veľká. Metóda výpočtu priamej väzby je založená na metóde stlačiteľného roztoku a priamo získava výsledok nestability spaľovania prostredníctvom vysoko presného výpočtu nestabilného stavu, to znamená, že proces výpočtu väzby nestabilného spaľovania a akustiky za daných pracovných podmienok je dokončený naraz v rovnakom výpočtovom rámci.

Huang et al. [27] vyvinuli model výpočtu nestability horenia založený na metóde VLES v spojení s metódou výpočtu zahusťujúceho plameňa a dosiahli presnú predpoveď nestabilného spaľovacieho procesu pri akustickom budení. Príkladom výpočtu je tupý stacionárny plameň plne predmiešaný etylén/vzduch vyvinutý Cambridgeskou univerzitou, s pomerom ekvivalencie 0.55 a Reynoldsovým číslom približne 17000 12. Porovnanie výsledkov výpočtu VLES a experimentálnych výsledkov dynamických charakteristík nestabilného plameňa pri akustickej excitácii je znázornené na obrázku 160. Na vonkajšom vonkajšom procese je možné vidieť na vonkajšom návale, na vonkajšom obrázku. vrstvy a vyvinie sa do protismerne rotujúceho vírového páru. V tomto procese sa vývoj profilu plameňa v tvare húb naďalej vyvíja so zmenou fázového uhla. Výsledky výpočtu VLES dobre reprodukujú charakteristiky vývoja plameňa pozorované v experimente. Porovnanie amplitúdy a fázového rozdielu odozvy rýchlosti uvoľňovania tepla pri akustickom budení 13 Hz získaných rôznymi výpočtovými metódami a experimentálnymi meraniami je znázornené na obrázku XNUMX. Na obrázku Q' a Q͂ sú pulzujúce uvoľňovanie tepla a priemerné uvoľňovanie tepla spaľovaním, A je amplitúda sínusového akustického budenia a ordináta na obrázku 13 (b) je fázový rozdiel medzi prechodným signálom uvoľňovania tepla spaľovaním pri akustickom budení a signálom budenia vstupnej rýchlosti. Ako vidno z obrázku, presnosť predikcie metódy VLES je porovnateľná s presnosťou simulácie veľkých vírov [28] a obe sú v dobrej zhode s experimentálnymi hodnotami. Hoci nestabilná metóda RANS predpovedá trend nelineárnej odozvy, vypočítané kvantitatívne výsledky sa značne líšia od experimentálnych hodnôt. Pre výsledky fázového rozdielu (obrázok 13 (b)) je trend fázového rozdielu predpovedaný metódou VLES s amplitúdou rušenia v zásade konzistentný s experimentálnymi výsledkami, zatiaľ čo výsledky simulácie veľkých vírivých prúdov dobre nepredpovedajú vyššie uvedený trend.