Výskumný pokrok v oblasti aerodynamickej výkonnosti spalovacej komory letectvého motora na báze veľkého eddymu simulácie

Výskumný pokrok v oblasti aerodynamickej výkonnosti spalovacej komory letectvého motora na báze veľkého eddymu simulácie

Spalovací komora je jednou z kľúčových komponentov letectvého motora a aerodynamická výkonnosť spalovacej komory hraje kľúčovú úlohu pri výkonne motora. Aby sa splnili stále prísnejšie technické požiadavky motoru na spalovaciu komoru, organizácia spalovania a tokové charakteristiky vnútri spalovacej komory sa stali veľmi zložitými. Proces zpomalenia a tlačenia difuzéra môže čeliť oddeleniu toku pri silnom nepríznivom tlakovom gradiente; vzduch prechádza viacerými stupňami zličovacieho zariadenia, čo vytvára veľkomerovú vírkovú štruktúru, ktorá napríklad podporuje atomizáciu a paralenie kapalného paliva a tvorbu silne pulzujúceho, nestabilného zmesi s palivom, a zároveň generuje stanové plamienka v aerodynamickom recirkulačnom priestore. Viaceré proudenie hlavného otvoru na spalovanie/mixovanie interagujú so stranou tokom v plamennom trubke, čo vytvára protispinajúcu vírkovú dvojicu, ktorá má dôležitý vplyv na turbulentné mixovanie. Na báze tohto toku sú viacrovné fyzikálne a chémické procesy ako atomizácia a paralenie, mixovanie, chemická reakcia a interakcia medzi turbulentnosťou a plamienkom silne spojené, čo spoločne určujú aerodynamické charakteristiky spalovacej komory. Vysoko presné modelovanie a výpočet týchto fyzikálnych a chémických procesov je stále aktuálnym tématom výskumu doma aj vo svete.

Procesy atomizácie, parovania, zmiešavania a spalovania v spaľovacej komore sa vyvíjajú a zmenšujú v prostredí turbulentného tekutína, preto je tekutina základom pre simuláciu aerodynamického výkonu spaľovacej komory. Základnou charakteristikou turbulence je to, že parametre tekutiny ukazujú náhodné pulzovanie kvôli nelineárneho konvekčného procesu. Turbulencia obsahuje mnoho vírkových štruktúr. Rozsahy rôznych vírkov v dĺžkových a časových mierkach sú obrovské, a keď sa zvyšuje číslo Reynoldsove, rozsahy medzi mierkami ostrovo zvýšia. Podľa úspešnosti priamo riešených turbulentných vírkových štruktúr, simulácia turbulence  metódy sa rozdeľujú na priamu numerickú simuláciu (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), veľkú vórovú simuláciu (LES) a zmiešané metódy simulácie turbulentnosti. Metóda RANS, ktorá je široko používaná v inžinierskej praxi, rieši turbulentné priemerné pole a používa model na simuláciu všetkých informácií o turbulentných pulzáciiach. Výpočtová zložitosť je malá, ale presnosť je slabá. Pre silne otáčavé a nestabilné tokové procesy v spalovacom kompartmente metóda RANS nemôže spĺňať požiadavky na precíznny dizajn. Pitsch ukázal, že výpočtová zložitosť LES je medzi RANS a DNS a aktuálne sa používa na výpočty turbulentného hoŕania v neobmedzených priestoroch s strednými a nízkymi číslami Reynolds. Kým v blízkosti steny spalovacej komory je miera turbulence malá a pretek má vysoké číslo Reynolds, počet sieťových bodov potrebných pre LES výpočet len jednej hlavy spalovacej komory dosahuje stovky miliónov až miliardy. Takáto vysoká spotreba výpočtových zdrojov obmedzuje široké používanie LES v simuláciách spalovacej komory.

Vytvorenie vysoko presných výpočtových modelov a metód na základe Veľmi Veľkých Vóročných Simulácií (VLES) a Hybridnej Metódy RANS-LES je dôležitým trendom v numerickej simulácii. Metóda VLES vyvinutá Hanom a spol. rieši problém nízkej výpočtovej efektívnosti spôsobenej filtrovaním mriežkového merania a zhodnotením turbulentného merania v tradičnej LES, a umožňuje koplesové modelovanie medzi viacmerovými charakteristikami turbulentnosti, dočasnými evolučnými charakteristikami a rozlišením mriežky. VLES prispôsobiteľne upravuje pomer medzi turbulentným riešením a modelovaním na základe skutočných charakteristik evolúcie vóročnej štruktúry, čo významne zníži výpočtové náklady pri zachovaní výpočtovej presnosti.

Pri tom, pokiaľ sa týka tradičnej LES, teória a charakteristiky VLES neboli široko študované a uplatňované. Tento článok systematicky predstavuje modelovaciu teóriu VLES a jej aplikációske účinky v rôznych fyzikálnych situáciách súvisiacich s palivovými komorami, čím podporuje široké používanie VLES v oblasti simulačného modelovania palivových komôr lietadlových motorov.

Metóda simulácie veľkých vírů

Vplyv metód simulácie turbulentnosti na spotrebu výpočtových zdrojov a modelov je znázornený na obrázku 1. Metódy RANS, LES a VLES dosahujú simuláciu tekutín prostredníctvom modelovania turbulentnosti. Treba upozorniť, že najstaršie jasné definície VLES udelil Pope, ktoré sa týka "siete pre výpočty je príliš hrubá tak, že priamo riešená turbulentná kinetická energia predstavuje menej ako 80 % celkovej turbulentnej kinetickej energie". Zároveň Pope [6] definuje LES ako "výpočtová sieť je veľmi jemná tak, že priamo riešená turbulentná kinetická energia predstavuje viac ako 80 % celkovej turbulentnej kinetickej energie". Nemenovali sme si však, že VLES popísaná v tomto článku je nová výpočtová metóda, ktorá bola premodelovaná a vyvinutá na základe predchádzajúcich metód. Hoci sú názvy rovnaké, nová metóda VLES je podstatne odlišná od metódy VLES definovanej Popem. Z obrázka je vidieť, že tradicionálne režimy turbulentnosti sú RANS, URANS, hybrid RANS/LES, LES a DNS v poradí podľa presnosti výpočtu. Podľa novej modelovej architektúry sú režimy turbulentnosti rozdelené na RANS, VLES a DNS v poradí podľa presnosti výpočtu. Teda metóda VLES umožňuje unifikáciu niekoľkých tradicionálnych režimov turbulentnosti, a rôzne modely plynulo prechádzajú a konvertujú podľa lokálnych charakteristik v skutočných výpočtoch.

Simulácia typických fyzikálnych procesov v spalovacej komore

Veľmi veľká eddiová simulácia silného vírujúceho toku

Spalovacia komora lietadlového motora obvykle používa formy organizácie poľa toku, ako sú viacstupňové vírky a silný vír. Vír je najzákladnejším tvarom toku v spalovacej komore. Keďže vír dominuje oboch v smeroch toku a dotyčnom smere, turbulentná pulzácia víra má silnejšiu anizotropiu ako tradičný potrubníkový tok, kanálový tok a jetrový tok. Preto predstavuje numerická simulácia víra veľkú výzvu pre metódy simulácie turbulentnosti. Xia et al. použili metódu VLES na výpočet klasického príkladu silného vírujúceho toku v rúre; Dellenback et al. [14] vykonali experimenty s poľami toku na tomto príklade a majú podrobné experimentálne dáta. Reynoldsovo číslo toku vypočítaného príkladu je 1.0 × 105 (založené na priemeru kruhlej rúry) a číslo točivosti je 1,23. V výpočte sa použili dva sady štruktúrovaných sieťov. Celkový počet rearaných sieťov (M1) je približne 900 000 a celkový počet zašifrovaných sieťov (M2) je približne 5,1 milióna. Statistické momenty získané výpočtom sú ďalej porovnané s experimentálnymi výsledkami pre overenie výpočtového presnosti metódy VLES.

Porovnanie výsledkov výpočtu rôznymi metódami a experimentálnych výsledkov radialného rozdelenia priemerného obvodového rýchlosti a pulzujúcej rýchlosti v rôznych pozíciách dolu za silným točivým priestorom je uvedené na obrázku 4. Na obrázku sú vodorovné a zvislé súradnice bezrozmernou vzdialenosťou a bezrozmernou rýchlosťou, kde D1 je priemer vstupnej kruhovej potrubiny a Uin je priemerná vstupná rýchlosť. Z obrázka je vidieť, že priestorové pole toku ukazuje typický Rankinov podobný zložitý vír, postupne prechádzajúci do jedného pevného telesného víra. Porovnaním výpočtových a experimentálnych výsledkov sa dá nájsť, že metóda VLES má vysokú presnosť výpočtu pre predpovedanie obvodového rýchlosti pri silnom točivom pote, čo je v dobré zhode s rozdelením experimentálnych meraní. Tradičná metóda RANS má veľkú odchýlku pri výpočte točivého toku a nemôže správne predpovedať priestorovú evolúciu točivého priestorového poľa a turbulentných pulzácií. V porovnaní má metóda VLES veľmi vysokú presnosť pri predpovedi priemerného pola rýchlosti, pulzujúceho pola rýchlosti a priestorovej evolúcie pri komplexnom silnom točivom pote, a môže stále zaručiť vysokú presnosť výpočtu i pri relatívne riedkom rozlíšení sieťe. Pre predpovedanie priemerného obvodového rýchlosti sú výsledky výpočtu metódy VLES základne konzistentné pri dvoch sadách riedkej a hustej sieťovej rozlišenia.

Veľká eddiová simulácia turbulentného spaľovania

Aby sa študovala možnosť použitia metódy VLES v predikcii problémov turbulentného spaľovania [15-16], bolo vyvinuté modelovanie turbulentného spaľovania založené na metóde VLES, ktoré je spojené s plamennými manifoldami generovanými (FGM). Základná myšlienka spočíva v tom, že sa predpokladá, že lokálne má turbulentný plamen jednodimenzionálnu laminárnu štruktúru plamene a povrch turbulentného plamna je súborovým priemerom radu laminárnych povrchov plamien. Preto môže byť viacrozmerný priestor súčastníkov namapovaný do nízko-rozmerného toku tvoreného niekoľkými charakteristickými premennými (zlomková miešana, postup reakcie atď.). Za podmienky, že sa berie do úvahy detailný reakčný mechanizmus, počet transportných rovníc, ktoré treba vyriešiť, je významne znížený, čím sa významne zníži výpočtová nákladnosť.

Konkrétny proces implementácie spočíva v zostavení laminárneho databoku FGM na základe zmiešaných frakcií a reakčných progresívnych premenných, zohľadnení interakcie medzi turbulentným spalovaním predpokladom metódy pravdepodobnostnej hustoty funkcie na integráciu laminárneho databoku a takto získať turbulentný databok. V numerickom výpočte sa riešia prepravné rovnice zmiešaných frakcií, reakčných progresívnych premenných a príslušných variácií a informácie o spalovacom poľe sa získavajú vyhľadávaním turbulentného databoku.

Model turbulentného spalovania založený na VLES a FGM bol použitý na vykonanie numerických výpočtov pre turbulentnú jaternú plamienku (Flame D) metanu/vzduchu meranú v laboratóriu Sandia v USA, pričom boli urobené kvantitatívne porovnania s experimentálnymi mernými údajmi. Palivový materiál príkladu Sandia Flame D (Reynoldsovo číslo je 22400) je úplná zmes metanu a vzduchu v objemovom pomere 1:3, rýchlosť vstupu paliva je približne 49,9 m/s a rýchlosť preblúdenia je asi 11,4 m/s. Pracovná plamienka je zmes spáleného metanu a vzduchu, zatiaľ čo materiál preblúdenia je čistý vzduch. Výpočet používa štrukturovanú sieť, celkový počet sietí je približne 1,9 milióna.

Zobrazenie priemernej hmotnostnej frakcie rôznych komponentov podél osi je uvedené na obrázku 5. Horizontálne a vertikálne súradnice na obrázku sú bezrozmerná vzdialenosť (D2 je priemer vstupného prúdeného potrubia) a bezrozmerná hmotná frakcia, resp. Z obrázka je vidieť, že predpoveď hlavných komponentov spalovacieho procesu metódou VLES sa všeobecne dobre zhoduje s experimentálnymi výsledkami. Rozptyl teploty v rôznych pozíciách za prúdom v priestore zmiešanej frakcie je znázornený na obrázku 6. Z obrázka je vidieť, že trend rozptylu predpovedaný metódou VLES je základne v súlade s experimentálnymi výsledkami, a len vypočítaná extrémna hodnota teploty je niečo vyššia ako experimentálna hodnota. Distribúcia okamžitéj vírnosti, teploty a funkcie riadenia rozlíšenia vypočítanej metódou VLES je uvedená na obrázku 7, kde pevná čiara predstavuje Zst=0,351. Z obrázka je vidieť, že oblasť jadierového prúdenia prejavuje silné turbulentné pulzovanie, a keď sa pole prúdenia vyvíja smerom dozadu, postupne sa zväčšuje miera vírového štruktúry. Zo obrázka 7 (b) a (c) je vidieť, že v väčšine chemických reakčných oblastí je funkcia riadenia rozlíšenia medzi 0 a 1, čo ukazuje, že miestna sieťová rozlišenie môže zachytiť veľkomerovú turbulence a iba malomerovú turbulence simulovať cez model. V tomto momente sa VLES správa ako približný režim riešenia veľkých eddies. V vrstve striedania jadierového prúdenia a vonkajšej hraničnej oblasti plamene dole je funkcia riadenia rozlíšenia blízka 1, čo naznačuje, že odreznutá filterovacia miera výpočtovej siete je väčšia ako miestna turbulentná miera. V tomto momente sa VLES správa ako nestabilný režim riešenia Reynoldsovského priemerného modelu. Shrnutím možno konštatovať, že metóda VLES dokáže realizovať transformáciu viacerých režmov riešenia turbulence podľa časových charakteristík evolúcie vírovej štruktúry a presne predpovedať nestabilný spalovací proces v turbulentných plamenných frontoch.

Simulácia veľkých vórov procesu úplnej atomizácie

Väčšina paliva používaného v spalovacom komore letectvého motora je kapalné palivo. Kapalné palivo vstupuje do spalovacej komory a prechádza procesmi primárnej a sekundárnej atomizácie. Existuje mnoho ťažkostí pri simulácii úplného procesu atomizácie kapalného paliva, vrátane zachytenia konfigurácie topologického rozhrania dvojfázovej plyn-kapala, deformácie a prerušovania kapalných stĺpcov, rozpadu a evolúcie kapalných pásikov a vlákien na kapičky a interakcie medzi turbulentným tokom a kapičkami. Huang Ziwei [19] vyvinul model úplnej simulácie procesu atomizácie založený na metóde VLES spojené s hybridnou metódou VOF-DPM pre výpočet atomizácie, čo umožňuje numerickú simuláciu celého procesu atomizácie paliva od spojitéj kapaliny po diskrétne kapičky.

Bola použita novovytvorená simulačná model pre atomizáciu na vykonanie vysoko presných numerických výpočtov klasického procesu bočného prúdenia a atomizácie kapalného slupa, pričom bola podrobne porovnaná s experimentálnymi výsledkami v verejnej literatúre [20] a s výsledkami výpočtov simulácie veľkých eddies [21]. V príklade výpočtu je fázou plynu vzduch so rýchlosťami 77,89 a 110,0 m/s, resp., a kapalná fáza je kapalná voda so rýchlosťou 8,6 m/s. Príslušné Weberove čísla sú 100 a 200, resp. Aby sa lepšie môžno simuloval proces druhej úlomovej fázy, model úlomku používa Kelvin-Helmholtzov a Rayleigh-Taylorov (KHRT) model.

Úplný proces atomizácie predpovedaný VLES za podmienok čísla Weber 100 je znázornený na obrázku 8. Z obrázka je vidieť, že v počiatočnej oblasti sa tvorí tenká plávka kapalného stĺpca, potom sa kapalný stĺpec rozpadne na kapalné pásy a vlákna, ktoré sa pod vplyvom aerodynamických síl rozpadajú na kapičky, a tieto kapičky sa ďalej rozpadajú na menšie kapičky prostredníctvom sekundárneho rozpadu. Rýchlosť prúdenia a rozdelenie španielskej vorticítivity vypočítané VLES za podmienok čísla Weber 100 sú znázornené na obrázku 9. Z obrázka je vidieť, že na leeward strane kapalného stĺpca sa nachádza typická zóna nízkosrýchlostného opätovného cirkulovania. Z inštantánneho rozdelenia vorticítivity vyplýva, že leeward strana kapalného stĺpca prejavuje silnú vírovú štruktúru a silné turbulentné pohyby v zóne nízkosrýchlostného opätovného cirkulovania prispevujú k prerušeniu plávky kapalného stĺpca a tvorbe kapičiek.

Pomer počiatočného priemeru strely k minimálnej priestorovej súmernosti kapalinskej strely, keď sa začne kapalinský slúpec rozpadáť pri rôznych číslach Webera, je uvedený na obrázku 10. Na obrázku je di minimálna priestorová súmernosť kapalinskej strely, keď sa začne kapalinský slúpec rozpadáť, a D3 je počiatočný priemer kapalinskej strely. Z obrázka je vidieť, že výsledky VLES výpočtov sú v dobrom súlade s experimentálnymi výsledkami, ktoré sú lepšie ako výsledky výpočtov veľkých eddies publikované v literatúre [21].

Nestabilita spalovania - Veľmi Veľká Eddiová Simulácia

Aby sa splnili požiadavky na nízke emisie, spalovacie komory občianskych letadiel sú bežne navrhované s predmiešaným alebo čiastočne predmiešaným chudým spalovaním. Avšak chudé predmiešané spalovanie má slabú stabilitu a je ochotné vyvolávať režimy spalovania s termoakustickou koplou osciláciou, čo môže spôsobiť nestabilitu pri spalovaní. Nestabilita pri spalovaní je veľmi ničivá a môže byť spojená s problémami ako je prech spalovania (flashback) a deformácia pevných častí, čo je významný problém, s ktorým sa stretávajú pri navrhovaní spalovacej komory.

Numerické výpočty nestabilití spaľovania sa dajú rozdeliť do dvoch kategórií: metóda oddelenia a priama metóda spojenia. Metóda predikcie nestabilití spaľovania s oddelením oddelí nestabilné riešenia spaľovania a akustické riešenia. Nestabilné spaľovanie vyžaduje veľké množstvo numerických výpočtových vzoriek na zostavenie spoľahlivej funkcie popisujúcej plamienok. Ak sa použije metóda výpočtu veľkých vírů, jej spotreba výpočtových zdrojov je príliš veľká. Priama metóda spojenia výpočtov je založená na kompresibilnom riešení a priamo získava výsledok nestabilit spalovania prostredníctvom presných nestabilných výpočtov, teda proces spojenia výpočtov nestabilného spaľovania a akustiky v daných pracovných podmienkach sa dokončí naraz v rámci rovnakého výpočtového rámca.

V štúdií numerického modelovania odstránenia nestabilitý v spaľovaní vyvinuli Huang a spol. [27] model výpočtu nestabilít spaľovania založený na metóde VLES spojenej s metódou zahušovania plamienka, čo umožnilo presnú predikciu nestabilného procesu spaľovania za akustického podnetenia. Vypočítaný príklad je stacionárne plamienko etylenu/vzduchu úplne predem zmiešaného, vyvinuté Univerzitou v Cambridge, s ekvivalenčným pomerom 0,55 a Reynoldsovým číslom asi 17000. Porovnanie výsledkov výpočtu VLES s experimentálnymi výsledkami nestabilných dynamických charakteristik plamienka za akustického podnetenia je uvedené na obrázku 12. Z obrázka je vidieť, že počas procesu vstupného podnetenia sa plamienok prevráti vo vnútorných a vonkajších režnych vrstvách a vyvíja sa do pary protirotujúcich vírů. V tomto procese sa rozvoj hribečitého profilu plamienka pokračuje s menou fázového uhla. Výsledky výpočtu VLES dobre reprodukujú charakteristiky evolúcie plamienka pozorované v experimente. Porovnanie amplitúd a fázových rozdielov odpovede rýchlosti vydávania tepla pri akustickom podnetení o frekvencii 160 Hz získaných rôznymi výpočtovými metódami a experimentálnymi meraniami je uvedené na obrázku 13. Na obrázku sú Q' a Q ͂ sú, resp., pulzujúci a priemerný vydávaný teplotný výkon spalania, A je amplituda sinusoidálneho akustického podnetu, a os y na obrázku 13 (b) je fázový rozdiel medzi dočasným vydávaným teplotným výkonom spalania za akustického podnetu a podnetom rýchlosti na vstupe. Z obrázka je zrejmé, že predikčná presnosť metódy VLES sa rovná presnosti veľkej eddiovnej simulácie [28], a oboje sú v dobrom súlade s experimentálnymi hodnotami. Hoci nestabilná metóda RANS predpovie trend nelineárnej reakcie, vypočítané kvantitatívne výsledky odlišne veľmi od experimentálnych hodnôt. Pre výsledky fázového rozdielu (obrázok 13 (b)) je trend fázového rozdielu predpovaného metódou VLES s amplitudou rušenia zásadne v súlade s experimentálnymi výsledkami, zatiaľ čo výsledky veľkej eddiovnej simulácie tento trend nevytvárajú tak ako má.