Napredek raziskav o aerodinamičnih lastnostih zgorevalne komore letalskega motorja na podlagi simulacije velikih vrtincev

Napredek raziskav o aerodinamičnih lastnostih zgorevalne komore letalskega motorja na podlagi simulacije velikih vrtincev

Zgorevalna komora je ena od osrednjih komponent letalskega motorja, aerodinamična zmogljivost zgorevalne komore pa igra ključno vlogo pri delovanju celotnega motorja. Da bi zadostili vse strožjim tehničnim zahtevam motorja za zgorevalno komoro, so postali način organizacije zgorevanja in pretočne karakteristike znotraj zgorevalne komore zelo kompleksni. Proces pojemka in tlaka difuzorja se lahko sooči z ločitvijo toka pod močnim neugodnim gradientom tlaka; zračni tok prehaja skozi večstopenjsko vrtinčno napravo, da tvori obsežno vrtinčno strukturo, ki na eni strani pospešuje atomizacijo in izhlapevanje tekočega goriva in tvori močno pulzirajočo, nestabilno zmes z gorivom, na drugi strani pa ustvarja stacionarni plamen v območju aerodinamičnega recirkulacije; več curkov glavne zgorevalne/mešalne odprtine sodeluje s stranskim tokom v plamenski cevi, da tvori nasprotno vrteči se vrtinčni par, ki pomembno vpliva na turbulentno mešanje. Na podlagi toka so močno povezani fizikalni in kemični procesi v več merilih, kot so atomizacija in izhlapevanje, mešanje, kemična reakcija ter interakcija med turbulenco in plamenom, ki skupaj določajo aerodinamične značilnosti zgorevalne komore. Visoko natančno modeliranje in izračuni teh fizikalnih in kemijskih procesov so bili vedno vroča tema raziskav doma in v tujini.

Procesi atomizacije, izhlapevanja, mešanja in zgorevanja v zgorevalni komori se razvijajo in razvijajo v okolju turbulentnega toka, zato je tok osnova za simulacijo aerodinamične učinkovitosti zgorevalne komore. Osnovna značilnost turbulence je, da parametri toka kažejo naključno pulziranje zaradi nelinearnega procesa konvekcije. Turbulenca vsebuje veliko vrtinčastih struktur. Razponi različnih vrtincev v dolžinskih in časovnih lestvicah so ogromni in ko se Reynoldsovo število povečuje, se razponi med skalami močno povečajo. Glede na delež turbulentnih vrtinčnih struktur, ki se neposredno rešijo, simulacija turbulence metode delimo na metode neposredne numerične simulacije (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), simulacijo velikih vrtincev (LES) in metode simulacije mešane turbulence. Metoda RANS, ki se pogosto uporablja v inženirstvu, rešuje turbulentno srednje polje in uporablja model za simulacijo vseh informacij o turbulentnem pulziranju. Znesek izračuna je majhen, vendar je točnost slaba. Za močne vrtinčne in neenakomerne pretočne procese v zgorevalni komori RANS ne more izpolniti zahtev po prefinjeni zasnovi. Pitsch je poudaril, da je računska kompleksnost LES med RANS in DNS in se trenutno uporablja za izračune turbulentnega zgorevanja v neomejenih prostorih s srednjimi in nizkimi Reynoldsovimi številkami. Zaradi majhnega obsega turbulence v obstenskem območju zgorevalne komore in visokega Reynoldsovega števila pretoka je število mrež, potrebnih za izračun LES samo za eno glavo zgorevalne komore, v stotinah milijonov do milijard. Tako visoka poraba računalniških virov omejuje široko uporabo LES v simulacijah zgorevalnih komor.

Vzpostavitev visoko natančnih računskih modelov in metod, ki temeljijo na simulaciji zelo velikih vrtincev (VLES) in hibridnih metodah RANS-LES, je pomemben trend v numerični simulaciji. Metoda VLES, ki so jo razvili Han et al. rešuje problem nizke računalniške učinkovitosti, ki jo povzroča filtriranje lestvice mreže in reševanje omejitev ujemanja lestvice turbulence v tradicionalnih LES, in realizira modeliranje sklopitve med značilnostmi turbulence na več lestvicah, značilnostmi prehodnega razvoja in ločljivostjo mreže. , VLES prilagodljivo prilagaja razmerje med rešitvijo turbulence in modeliranjem modela, ki temelji na značilnostih razvoja vrtinčne strukture v realnem času, s čimer znatno zmanjša računske stroške, hkrati pa zagotavlja natančnost izračuna.

Kljub temu v primerjavi s tradicionalnim LES teorija in značilnosti VLES niso bile široko raziskane in uporabljene. Ta članek sistematično uvaja teorijo modeliranja VLES in učinke njegove uporabe v različnih fizičnih scenarijih, povezanih z zgorevalnimi komorami, ter spodbuja obsežno uporabo VLES na področju simulacije zgorevalne komore letalskih motorjev.

Metoda simulacije velikega vrtinca

Vpliv metod simulacije turbulence na porabo računalniških virov in modele je prikazan na sliki 1. Metode RANS, LES in VLES vse dosežejo simulacijo toka z modeliranjem turbulence. Opozoriti je treba, da je najzgodnejšo jasno definicijo VLES podal Pope, ki se nanaša na "računsko mrežno merilo je pregrobo, tako da je turbulentna kinetična energija, ki je neposredno rešena, manjša od 80 % celotne turbulentne kinetične energije". Hkrati je pomen LES, ki ga je navedel Pope [6], "računska mreža je zelo fina, tako da je turbulentna kinetična energija, ki je neposredno rešena, večja od 80 % celotne turbulentne kinetične energije". Kljub temu je treba opozoriti, da je VLES, predstavljen v tem članku, nova računska metoda, ki je bila preoblikovana in razvita na podlagi prejšnje metode. Čeprav sta imena enaka, se nova metoda VLES bistveno razlikuje od metode VLES, ki jo je definiral Pope. Kot je razvidno iz slike, so tradicionalni načini turbulence RANS, URANS, hibridni RANS/LES, LES in DNS glede na natančnost izračuna. V okviru novega modela so načini turbulence glede na natančnost izračuna razdeljeni na RANS, VLES in DNS. To pomeni, da metoda VLES uresničuje poenotenje več tradicionalnih turbulenčnih načinov, različni modeli pa prilagodljivo prehajajo in gladko pretvarjajo glede na lokalne značilnosti v dejanskih izračunih.

Simulacija značilnih fizikalnih procesov v zgorevalni komori

Simulacija zelo velikega vrtinčenja močnega vrtinčastega toka

Zgorevalna komora letalskega motorja običajno sprejme oblike organizacije polja toka, kot sta večstopenjsko vrtinčenje in močno vrtinčenje. Vrtinčni tok je najbolj osnovna oblika toka v zgorevalni komori. Ker vrtinčenje prevladuje tako v smeri toka kot v tangencialni smeri, ima turbulentno pulziranje vrtinčenja močnejšo anizotropijo kot tradicionalni cevni tok, kanalski tok in curek. Zato predstavlja numerična simulacija vrtinčenja velik izziv za metodo simulacije turbulence. Xia et al. uporabil metodo VLES za izračun klasičnega primera močnega vrtinčenja v cevi; Dellenback et al. [14] so na tem primeru izvedli poskuse tokovnega polja in imajo podrobne eksperimentalne podatke. Reynoldsovo število pretoka izračunanega primera je 1.0×105 (glede na premer okrogle cevi) in vrtinčno število je 1.23. Pri izračunu sta uporabljena dva niza strukturiranih mrež. Skupno število redkih mrež (M1) je približno 900,000, skupno število šifriranih mrež (M2) pa približno 5.1 milijona. Rezultate statističnega momenta, dobljene z izračunom, nadalje primerjamo z eksperimentalnimi rezultati, da preverimo točnost izračuna metode VLES.

Primerjava rezultatov izračuna različnih metod in eksperimentalnih rezultatov radialne porazdelitve obodne povprečne hitrosti in pulzirajoče hitrosti na različnih položajih navzdol pri močnem vrtinčnem toku je prikazana na sliki 4. Na sliki sta vodoravna in navpična koordinata brezdimenzijska razdalja oziroma brezdimenzijska hitrost, kjer je D1 premer dovodne krožne cevi in ​​Uin dovodna povprečna hitrost. Kot je razvidno iz slike, polje toka prikazuje tipičen Rankin podoben sestavljeni vrtinec, ki postopoma prehaja v enojni vrtinec togega telesa. S primerjavo računskih in eksperimentalnih rezultatov lahko ugotovimo, da ima metoda VLES visoko računsko natančnost za napovedovanje obodne hitrosti močnega vrtinčenja, kar se dobro ujema s porazdelitvijo eksperimentalnih meritev. Tradicionalna metoda RANS ima zelo veliko odstopanje pri izračunu vrtinčnega toka in ne more pravilno napovedati prostorskega razvoja polja vrtinčnega toka in turbulentnega pulziranja. Za primerjavo ima metoda VLES zelo visoko natančnost pri napovedovanju polja povprečne hitrosti, pulzirajočega polja hitrosti in prostorske evolucije pri kompleksnem močnem vrtinčnem toku in lahko še vedno zagotavlja visoko natančnost izračuna tudi pri relativno redki ločljivosti mreže. Za napoved obodne povprečne hitrosti so rezultati izračuna metode VLES v bistvu konsistentni pri dveh nizih ločljivosti redke in goste mreže.

Simulacija velikega vrtinca turbulentnega zgorevanja

Da bi preučili izvedljivost metode VLES pri napovedovanju problemov turbulentnega zgorevanja [15-16], je bil razvit model turbulentnega zgorevanja, ki temelji na metodi VLES skupaj s kolektorji, generiranimi s plamenčki (FGM). Osnovna ideja je domneva, da ima turbulentni plamen lokalno enodimenzionalno laminarno strukturo plamena, površina turbulentnega plamena pa je povprečje niza laminarnih površin plamena. Zato se lahko visokodimenzionalni prostor komponent preslika v nizkodimenzionalni vzorec toka, sestavljen iz več značilnih spremenljivk (delež zmesi, spremenljivka napredka reakcije itd.). Pod pogojem upoštevanja podrobnega reakcijskega mehanizma se število transportnih enačb, ki jih je treba rešiti, močno zmanjša, s čimer se znatno zmanjšajo računski stroški.

Poseben postopek izvajanja je izdelava tabele laminarnih podatkov FGM na podlagi spremenljivk deleža zmesi in napredka reakcije, upoštevanje interakcije med turbulentnim zgorevanjem ob predpostavki metode gostote verjetnosti za integracijo tabele laminarnih podatkov in tako pridobitev tabele turbulentnih podatkov. Pri numeričnem izračunu se rešijo transportne enačbe frakcije zmesi, spremenljivke poteka reakcije in ustrezna varianca, informacije o zgorevalnem polju pa se pridobijo s poizvedovanjem po tabeli turbulentnih podatkov.

Model turbulentnega zgorevanja, ki temelji na VLES in FGM, je bil uporabljen za izvedbo numeričnih izračunov plamena turbulentnega curka metan/zrak (Plamen D), ki ga je izmeril laboratorij Sandia v Združenih državah Amerike, in opravljene so bile kvantitativne primerjave z eksperimentalnimi merilnimi podatki. Gorivo primera Sandia Flame D (Reynoldsovo število je 22400) je popolna mešanica metana in zraka z volumskim razmerjem 1:3, vstopna hitrost goriva je približno 49.9 m/s, hitrost sledi je približno 11.4 m/s. Delovni plamen je mešanica zgorelega metana in zraka, material za prebujanje pa je čisti zrak. Pri izračunu je uporabljena strukturirana mreža, skupno število mrež pa je približno 1.9 milijona.

Porazdelitev povprečnega masnega deleža različnih komponent vzdolž osi je prikazana na sliki 5. Vodoravna in navpična koordinata na sliki sta brezdimenzijska razdalja (D2 je premer vstopne cevi curka) oziroma brezdimenzijski masni delež. Iz slike je razvidno, da se napoved glavnih komponent zgorevalnega procesa z metodo VLES na splošno dobro ujema z eksperimentalnimi rezultati. Razpršena porazdelitev temperature na različnih položajih navzdol v frakcijskem prostoru zmesi je prikazana na sliki 6. Iz slike je razvidno, da je trend razpršene porazdelitve, predviden z metodo VLES, v bistvu skladen z eksperimentalnimi rezultati in le izračunana temperaturna skrajna vrednost je nekoliko višja od eksperimentalne vrednosti. Porazdelitev trenutne krmilne funkcije vrtinčenja, temperature in ločljivosti, izračunane z VLES, je prikazana na sliki 7, kjer je polna črta vzeta kot Zst=0.351. Iz slike je razvidno, da območje jedrnega curka kaže močno turbulentno pulziranje in ko se tokovno polje razvija navzdol, se obseg vrtinčne strukture postopoma povečuje. Kot je razvidno iz slike 7 (b) in (c), je v večini kemijskih reakcijskih območij funkcija nadzora ločljivosti med 0 in 1, kar kaže, da lahko lokalna ločljivost mreže zajame turbulenco velikega obsega in simulira samo turbulenco majhnega obsega skozi model. V tem času se VLES obnaša kot način rešitve približne velike simulacije vrtincev. V strižni plasti curka in zunanjem robu nizvodnega plamena je funkcija nadzora ločljivosti blizu 1, kar kaže, da je prirezana lestvica filtra računske mreže večja od lokalne turbulenčne lestvice. V tem času se VLES obnaša kot način nestalne Reynoldsove povprečne rešitve. Če povzamemo, je razvidno, da lahko metoda VLES realizira preoblikovanje več načinov rešitve turbulence v skladu z značilnostmi razvoja vrtinčne strukture v realnem času in lahko natančno napove nestalen proces zgorevanja v turbulentnih plamenih.

Simulacija velikega vrtinčenja celotnega procesa atomizacije

Večina goriva, ki se uporablja v zgorevalni komori letalskega motorja, je tekoče gorivo. Tekoče gorivo vstopi v zgorevalno komoro in je podvrženo procesom primarne atomizacije in sekundarne atomizacije. Obstaja veliko težav pri simulaciji celotnega procesa atomizacije tekočega goriva, vključno z zajemanjem konfiguracije dvofaznega topološkega vmesnika plin-tekočina, deformacijo in zlom stolpca tekočine, razvojem razpada tekočih trakov in tekočih filamentov v kapljice ter interakcijo med turbulentnim tokom in kapljicami. Huang Ziwei [19] je razvil popoln simulacijski model procesa atomizacije, ki temelji na metodi VLES skupaj z metodo izračuna hibridne atomizacije VOFDPM, s čimer je realiziral numerično simulacijo celotnega procesa atomizacije goriva iz neprekinjene tekočine v diskretne kapljice.

Novo razviti simulacijski model procesa atomizacije je bil uporabljen za izvedbo visoko natančnih numeričnih izračunov klasičnega postopka atomizacije stolpca tekočine s stranskim tokom in narejena je bila podrobna primerjava z eksperimentalnimi rezultati v odprti literaturi [20] in rezultati izračuna simulacije velikih vrtincev [21]. V primeru izračuna je plinska faza zrak s hitrostjo 77.89 oziroma 110.0 m/s, tekoča faza pa tekoča voda s hitrostjo 8.6 m/s. Ustrezni Weberjevi števili sta 100 oziroma 200. Da bi bolje simulirali sekundarni proces razpada, model razpada prevzame model Kelvin-Helmholtz in Rayleigh-Taylor (KHRT).

Celoten proces atomizacije, ki ga napoveduje VLES pod pogojem Weberovega števila 100, je prikazan na sliki 8. Kot je razvidno iz slike, se v začetnem območju oblikuje tanek sloj tekočega stolpca, nato pa tekočinski stolpec razpade na tekoče trakove in tekoče filamente ter razpade na kapljice pod delovanjem aerodinamične sile, kapljice pa se nadalje razbijejo na manjše kapljice skozi sekundarni razpad. Hitrost toka in porazdelitev vrtinčenja po razponu, ki ju je izračunal VLES pod pogojem Weberovega števila 100, sta prikazani na sliki 9. Kot je razvidno iz slike, je na zavetrni strani stolpca tekočine tipično območje recirkulacije pri nizki hitrosti. Iz trenutne porazdelitve vrtinčenja je mogoče ugotoviti, da ima zavetrna stran stolpca tekočine močno vrtinčno strukturo, močno turbulentno gibanje v območju recirkulacije pri nizki hitrosti pa prispeva k pretrganju plošče stolpca tekočine in nastanku kapljic.

Razmerje med začetnim premerom curka in najmanjšo dimenzijo pretoka curka tekočine, ko začne stolpec tekočine razpadati pod različnimi Webrovimi številkami, je prikazano na sliki 10. Na sliki je di najmanjša dimenzija pretoka curka tekočine, ko stolpec tekočine začne razpadati, D3 pa je začetni premer curka tekočine. Iz slike je razvidno, da se rezultati izračuna VLES dobro ujemajo z eksperimentalnimi rezultati, ki so boljši od rezultatov izračuna simulacije velikih vrtincev v literaturi [21].

Nestabilnost zgorevanja Zelo velik vrtinec Simulacija

Da bi izpolnili zahteve po nizkih emisijah, so zgorevalne komore civilnih letal običajno zasnovane s predmešanim ali delno predmešanim zgorevanjem. Vendar ima zgorevanje z retko mešanico slabo stabilnost in je nagnjeno k vzbujanju načinov zgorevanja s termoakustično sklopljeno oscilacijo, kar vodi do nestabilnosti zgorevanja. Nestabilnost zgorevanja je zelo uničujoča in jo lahko spremljajo težave, kot sta povratni plamen in trdna deformacija, kar je pomembna težava, s katero se sooča zasnova zgorevalne komore.

Numerični izračun nestabilnosti zgorevanja lahko razdelimo v dve kategoriji: metodo ločevanja in metodo neposrednega spajanja. Ločena metoda napovedovanja nestabilnosti zgorevanja ločuje neenakomerno zgorevanje in akustične rešitve. Neenakomerno zgorevanje zahteva veliko število vzorcev numeričnih izračunov za izdelavo zanesljive funkcije opisa plamena. Če se uporabi metoda izračuna simulacije velikih vrtincev, je poraba računalniških virov prevelika. Metoda izračuna neposredne sklopitve temelji na metodi stisljive raztopine in neposredno pridobi rezultat nestabilnosti zgorevanja z visoko natančnim nestacionarnim izračunom, kar pomeni, da se postopek izračunavanja neenakomernega zgorevanja in akustike pri danih delovnih pogojih konča naenkrat v istem okviru izračuna.

V študiji numerične simulacije ločevanja nestabilnosti zgorevanja sta Huang et al. [27] je razvil model izračuna nestabilnosti zgorevanja, ki temelji na metodi VLES skupaj z metodo izračuna zgoščenega plamena, in dosegel natančno napoved neenakomernega procesa zgorevanja pri akustičnem vzbujanju. Primer izračuna je topi stacionarni plamen, popolnoma predhodno mešan etilen/zrak, ki ga je razvila Univerza v Cambridgeu, z ekvivalenčnim razmerjem 0.55 in Reynoldsovim številom približno 17000. Primerjava med rezultati izračuna VLES in eksperimentalnimi rezultati dinamičnih karakteristik nestalnega plamena pri zvočnem vzbujanju je prikazana na sliki 12. Iz slike je razvidno, da je med dovodom v procesu vzbujanja se plamen prevrne po notranji in zunanji strižni plasti in se razvije v nasproti vrteči se vrtinčni par. V tem procesu se razvoj profila plamena v obliki gobe še naprej razvija s spremembo faznega kota. Rezultati izračuna VLES dobro reproducirajo značilnosti razvijanja plamena, opažene v poskusu. Primerjava amplitude in fazne razlike odziva hitrosti sproščanja toplote pri 160 Hz zvočnem vzbujanju, dobljene z različnimi računskimi metodami in eksperimentalnimi meritvami, je prikazana na sliki 13. Na sliki Q' in Q͂ sta pulzirajoče sproščanje toplote oziroma povprečno sproščanje toplote pri zgorevanju, A je amplituda sinusoidnega akustičnega vzbujanja, ordinata na sliki 13 (b) pa je fazna razlika med prehodnim signalom sproščanja toplote pri zgorevanju pri zgorevanju in signalom vzbujanja vstopne hitrosti. Kot je razvidno iz slike, je natančnost napovedi metode VLES primerljiva z natančnostjo simulacije velikih vrtincev [28], obe pa se dobro ujemajo z eksperimentalnimi vrednostmi. Čeprav nestacionarna metoda RANS napove trend nelinearnega odziva, izračunani kvantitativni rezultati močno odstopajo od eksperimentalnih vrednosti. Pri rezultatih fazne razlike (slika 13 (b)) je trend fazne razlike, predviden z metodo VLES z amplitudo motenj, v bistvu skladen z eksperimentalnimi rezultati, medtem ko rezultati simulacije velikih vrtincev ne napovedujejo dobro zgornjega trenda.