Napredek raziskav v zvezi s aerodinamično učinkovitostjo gorišča letalskega motornega dvigala na osnovi velikih eddieskih simulacij

Napredek raziskav v zvezi s aerodinamično učinkovitostjo gorišča letalskega motornega dvigala na osnovi velikih eddieskih simulacij

Palilna komora je ena izmed osnovnih komponent letalskega motornika, in aerodinamična učinkovitost palilne komore igra ključno vlogo pri učinkovitosti celotnega motornika. Da bi se izpolnile vedno strožjše tehnološke zahteve motornika glede na palilno komoro, so postali način organizacije paljenja in tokovne značilnosti znotraj palilne komore zelo kompleksni. Postopek zavlačevanja in pritisovanja difuzorja lahko sreča odpiranje toka pod močnim nasprotnim tlakom; zrak prehaja skozi večkratni vrtežni napravo, ki ustvari velikomerni vrtežni struktur, ki s ene strani spodbuja razpicanje in parjenje tečnega goriva ter oblikuje močno pulzirajočo, nestabilno mešanico z gorivom, s druge strani pa ustvarja stacionarno plameno v aerodinamični recirkulacijski območji; večkratni stroki glavnega palilnega/mešalnega otvorja interagirajo z bočnim tokom v plameni trubi, kar ustvari protismerne vrtežne pare, ki imajo pomemben vpliv na turbulentno mešanje. Na tem podlagi so mnogokrilski fizikalni in kemijski procesi, kot so razpicanje in parjenje, mešanje, kemična reakcija ter interakcija med turbulentnostjo in plamenom, močno povezani, kar skupaj določa aerodinamične značilnosti palilne komore. Visoko precizno modeliranje in računanje teh fizikalnih in kemijskih procesov je vedno bil popularen raziskovalni temelj tukaj in v tujini.

Procesi atomizacije, odpiranja, mešanja in gorenja v sprotnem prostoru se razvijajo in spreminjajo v okolju turbulentnega toka, zato je tok osnova za simulacijo aerodinamičnih lastnosti sprotnega prostora. Osnovna značilnost turbulence je, da parametri toka prikazujejo naključne pulzacije zaradi nelinearnega konvekcijskega procesa. Turbulence vsebuje številne vrtilne strukture. Obsegi različnih vrtil na dolžinskih in časovnih merilih so ogromni, in po meri, kot povečuje Reynoldsovo število, se hitro povečujejo razmiki med merili. Glede na delež turbulentnih vrtilnih struktur, ki so neposredno rešene, simulacija turbulence  metode so razdeljene na direktno numerično simulacijo (DNS), Reynolds-ov povprečen Navier-Stokes (RANS), velikosedmijsko simulacijo (LES) in mešane metode simulacije turbulentnosti. RANS metoda, ki jo široko uporabljajo v inženirstvu, rešuje turbulentno povprečno polje in uporablja model za simuliranje vseh informacij o turbulentnih pulzacijah. Izračunsko obremenitev je majhna, vendar je natančnost slaba. Za močno vrteči in nestabilni tok v kamori za gorenje RANS ne more izpolniti zahtev po podrobni obliki dizajna. Pitsch je poudaril, da je izračunski kompleksnost LES med RANS in DNS, in trenutno se uporablja za simulacije turbulentnega gorenja v prostih prostorih s srednjimi in nizkimi Reynolds-ovi števili. Zaradi malega merila turbulentnosti v blizu stene kamore za gorenje in visoke Reynolds-ove številke toka je število mrež, ki jih zahteva LES izračun le za eno glavo kamore za gorenje, v sto milijonih do milijardah. Taka visoka poraba računskega virov omejuje široko uporabo LES v simulacijah kamor za gorenje.

Ustvarjanje modelov in metod visoko točnega računanja na podlagi Zelo Velikega Simulacije Ede (VLES) in hibridne metode RANS-LES je pomemben trend v numerični simulaciji. Metoda VLES, ki jo je razvila skupina Han in sodelavcev, rešuje problem nizke računske učinkovitosti, ki jo povzročajo omejitve pri lažjenju mrežnih mer in reševanju turbulentnih mer v tradični LES, ter omogoča povezavo med modeliranjem večkratnih lastnosti turbulence, prehodnih evolucijskih lastnosti in ločljivostjo mreže. VLES prilagaja glede na realne časovne značilnosti razvoja vrtiljastih struktur, znatno zmanjšuje računske stroške in hkrati zagotavlja točnost izračunov.

Vendar pa, v primerjavi s standardno LES, ni bila teorija in lastnosti VLES široko raziskana in uporabljena. V tem članku se sistematično predstavi modelna teorija VLES ter njene učinke v različnih fizikalnih scenarijih povezanih s spraževalnimi komadci, kar spodbuja velikostno uporabo VLES v področju simulacije spraževalnih komadcev letalskih motorjev.

Metoda Velikega Edejskega Simuliranja

Prikazana je vpliva metode simulacije turbulentnosti na porabo računskih virov in modelov, ki je prikazana na Sliki 1. Metode RANS, LES in VLES vse dosežejo simulacijo toka skozi modeliranje turbulentnosti. Zdaj je potrebno poudariti, da je prva jasna definicija VLES dana od strani Popeja, ki se nanaša na "računske mreže, ki so prekratke, tako da je direktno rešena turbulentna kinetična energija manjša od 80 % skupne turbulentne kinetične energije". Hkrati pomen LES, kot ga je določil Pope [6], glasi: "računska mreža je zelo podrobna, tako da je direktno rešena turbulentna kinetična energija večja od 80 % skupne turbulentne kinetične energije". Kljub temu je treba opozoriti, da je VLES, ki jo predstavlja ta članek, nova računska metoda, ki je bila remodelirana in razvita na osnovi prejšnje metode. Čeprav imena ostajajo ista, je nova metoda VLES bistveno drugačna od metode VLES, ki jo je definiral Pope. Iz slike je vidno, da so tradicionalni režimi turbulentnosti v vrstnem redu izračunskih točnosti RANS, URANS, hibridni RANS/LES, LES in DNS. V okviru novega modelnega okvira so režimi turbulentnosti razdeljeni na RANS, VLES in DNS v vrstnem redu izračunskih točnosti. To pomeni, da metoda VLES omogoča unifikacijo več tradicionalnih režimov turbulentnosti, pri čemer se različni modeli po lokalnih lastnostih gladko prehajajo in pretvarjajo v resničnih izračunih.

Simulacija tipičnih fizikalnih procesov v kamoru za gorenje

Zelo velika simulacija eddija močno vrtečega toka

Kamora za gorenje letalskega motornega običajno uporablja oblike organizacije toka, kot so večstopinsko vrteči in močno vrteči tokovi. Vrteči tok je osnovna oblika toka v kamori za gorenje. Ker je vrtenje dominantno tako v smeri toka kot tudi v tangencialni smeri, ima turbulentna pulzacijo vrtečega toka močnejšo anizotropijo kot tradicionalni cevninski, kanalni in strusni tok. Zato predstavlja numerična simulacija vrtečega toka velik izziv za metode simulacije turbulentnosti. Xia in sodelavci so uporabili metodo VLES za izračun klasičnega primera močno vrtečega toka v cevi; Dellenback in sodelavci [14] so izvedli eksperimente z poljem toka na tem primeru in imajo podrobne eksperimentalne podatke. Reynoldsovo število toka pri izračunanem primeru je 1,0. × 105 (na podlagi premera krožne cevi) in številka vrtečega toka je 1,23. V izračunu se uporabljata dva nabora strukturiranih mrež. Skupno število redkejših mrež (M1) je približno 900.000, skupno število kodiranih mrež (M2) pa približno 5,1 milijona. Statistični momenti, pridobljeni s izračunom, so nadalje primerjani z eksperimentalnimi rezultati, da se preveri izračunska natančnost metode VLES.

Prikazana je primerjava izračunanih rezultatov različnih metod in eksperimentalnih rezultatov radialne porazdelitve krožnega povprečnega hitrosti in pulzirajoče hitrosti na različnih lokacijah dalje ob močno vrtljivem točenju, kot je prikazano na Sliki 4. V sliki so horizontalna in vertikalna koordinata brezrazsežna razdalja in brezrazsežna hitrost, kjer je D1 premer vhodne krožne cevi, a Uin povprečna vhodna hitrost. Iz slike je očitno, da se tokovno polje pokaže kot tipičen Rankinov podoben sestavljeni vrtilj, ki postopoma prehaja v enostavni trdno telo vrtilj. Primerjava izračunanih in eksperimentalnih rezultatov pokaže, da ima metoda VLES visoko izračunsko natančnost za napoved krožne hitrosti močno vrtljivega toka, kar je dobro skladno z distribucijo meritev. Tradicionalna RANS metoda pa ima zelo velik odstopaj pri izračunu vrtljivega toka in ne more pravilno napovedati prostorske evolucije vrtljivega tokovnega polja in turbulentnih pulzacij. V primerjavi pa metoda VLES doseže zelo visoko natančnost pri napovedovanju povprečnega hitrostnega polja, pulzirajočega hitrostnega polja in prostorske evolucije pri kompleksnem močno vrtljivem toku, ter lahko še vedno zagotovi visoko izračunsko natančnost tudi pri relativno redko mreži. Za napoved krožnega povprečnega hitrosti so izračunani rezultati metode VLES osnovno skladni pri dveh različnih razločitvah, redki in gosti mreži.

Simulacija velikih vrtinskih struktur turbulentnega gorenja

Da bi se raziskala primerost metode VLES za napovedovanje problemov turbulentnega gorenja [15-16], je bil razvit model turbulentnega gorenja, ki temelji na metodi VLES in je povezan s plamenskimi mnogotericami (FGM), ki jih generira. Osnovna ideja je predpostaviti, da ima lokalno turbulentni plamen enodimenzijsko laminarno plamensko strukturo, pri čemer je površina turbulentnega plamena srednja vrednost serije laminarnih plamenskih površin. Zato je mogoče preslikati visoko-dimenzionalni prostor sestavin v nizko-dimenzionalen tokovni vzorec, sestavljen iz nekaj karakterističnih spremenljivk (mehanizem mešanja, stopnja reakcije itd.). Pod pogojem upoštevanja podrobnega reakcijskega mehanizma se število transportnih enačb, ki jih je potrebno rešiti, značilno zmanjša, kar znatno zmanjša računske stroške.

Poseben proces implementacije je, da se na podlagi deleža mešanice in spremenljivk napredka reakcije sestavi laminarni podatkovni zapis FGM, upoštevajoče interakcijo med turbulentnim gorenjem z namenom, da se integrira laminarni podatkovni zapis z uporabo metode verjetnostne gostote funkcije, in tako pridobimo turbulentni podatkovni zapis. V numeričnem izračunu rešujemo transportne enačbe za delež mešanice, spremenljivke napredka reakcije in odgovarjajoče variance, ter pridobimo informacije o gorenju z iskanjem v turbulentnem podatkovnem zapisu.

Model turbulentnega gorenja, ki je temeljil na VLES in FGM, je bil uporabljen za izvedbo numeričnih izračunov na turbulentni metanski/zrakonski plameni (Plamen D) v jetu, merjenem v laboratoriju Sandia v Združenih državah Amerike, pri čemer so bili izvedeni količinske primerjave s eksperimentalnimi meritvami. Gorivo v primeru Sandia Plamen D (Reynoldsovo število je 22400) predstavlja popolno mešanico metana in zraka v volumetski razmerji 1:3, hitrost vhoda goriva je približno 49,9 m/s, medtem ko je hitrost v repu približno 11,4 m/s. Dolžanski plamen je mešanica zgorelog metana in zraka, medtem ko je material v repu čist zrak. Izračun je bil izveden s strukturirano mrežo, skupno število mrežnih točk pa je bilo približno 1,9 milijona.

Prikaz razporeditve povprečne masovne količine različnih sestavin vzdolž osi je v Sliki 5. V sliki so vodoravne in navpične koordinate brezrazsežna razdalja (D2 je premer vhodne jetrube) in brezrazsežna masovna količina, oz. Iz slike je vidno, da je napoved glavnih sestavin procesa gorenja z metodo VLES splošno v dober sklad z eksperimentalnimi rezultati. Prikaz razpršene temperature na različnih dolžinskih položajih v prostoru mešanja je v Sliki 6. Iz slike je očiten, da je trend napovedane razpršene distribucije z metodo VLES osnovno v skladu z eksperimentalnimi rezultati, le izračunana ekstremna temperatura je malo višja od eksperimentalne vrednosti. Prikaz porazdelitve trenutnega vrtljenja, temperature in funkcije reševanja z metodo VLES je v Sliki 7, kjer je točka Zst=0.351 določena kot popolna črta. Iz slike je očiten, da je območje jedrskega struja prikazano z močnim turbulentnim pulziranjem, ter da se merilo vrtilske strukture postopoma povečuje, če se polje toka razvija proti dolžinskim položajem. Iz Slike 7 (b) in (c) je očiten, da je v večini kemskih reakcijskih območij funkcija reševanja med 0 in 1, kar pomeni, da lahko lokalna mrežna ločljivost zajame velike turbulentne strukture in le male turbulentne strukture simulira prek modela. V tem primeru se VLES obnaša kot režim približne simulacije velikih vetrov. V območju presheva struja in zunanjem robu plamena dolžinsko je funkcija reševanja blizu 1, kar pomeni, da je prečni merilnik računske mreže večji od lokalnega turbulentnega merila. V tem primeru se VLES obnaša kot režim nestacionarne Reynoldsove povprečne rešitve. Na kratko, je očitno, da lahko metoda VLES realizira pretvorbo več režimov reševanja turbulence glede na realne značilnosti razvoja vrtilske strukture in točno napoveduje nestacionarni proces gorenja v turbulentnih plamenih.

Simulacija velikih vrtinskih struktur celotnega procesa atomizacije

Večina goriva, ki se uporablja v goriški komori letalskega motornika, je tekoče gorivo. Tekoče gorivo vstopi v goriško komoro in preteče procese prve in druge atomizacije. Obstaja veliko težav pri simuliranju celotnega procesa atomizacije tekočega goriva, vključno z ujemanjem topološke konfiguracije dvofaznega (plin-tekočina) vmesnega stanja, deformacijo in razpadom stolpa tekočine, razvojem razpada trak tekočine in nižic v kapljice ter interakcijo med turbulentnim tokom in kapljicami. Huang Ziwei [19] je razvil model za simulacijo celotnega procesa atomizacije na podlagi metode VLES, povezane s hibridno metodo VOF-DPM za računanje atomizacije, s katerim je omogočil številčno simuliranje celotnega procesa atomizacije goriva od zvezne tekočine do diskretnih kapljic.

Za uporabo je bila razvita nova modelna simulacija procesa atomizacije, s katero je bilo mogoče izvesti visoko precizne numerične izračune klasičnega procesa atomizacije stranskega toka tekočinskega stropa in nato podrobno primerjati rezultate z eksperimentalnimi podatki v odprti literaturi [20] ter z rezultati izračunov s simulyacijsko metodo velikih eddijev [21]. V primeru izračuna je plinov faza zrak z hitrostmi 77,89 in 110,0 m/s, medtem ko je tekočinska faza voda z hitrostjo 8,6 m/s. Odgovarjajoči Weberjevi številki sta 100 in 200. Za boljšo simulacijo sekundarnega razpada se uporablja model Kelvin-Helmholtz in Rayleigh-Taylor (KHRT).

Poln proces atomizacije, ki ga VLES napoveda pod pogoji števila Weber 100, je prikazan na sliki 8. Iz slike je razvidno, da se v začetni območju oblikuje tanko pladnato strukturo tekočega stebra, ki se nato razbije v tekoče pasove in vlake, ter se pod vplivom aerodinamične sile razbije v kapljice, ki jih gredoši proces drugačnega razbijanja nadalje razbije v manjše kapljice. Hitrost toka in porazdelitev vrtinov po širini, izračunana z VLES pod pogoji števila Weber 100, sta prikazani na sliki 9. Iz slike je razvidno, da obstaja tipična območja z nizko hitrostjo ponovnega cikliranja na levoziščni strani tekočega stebra. Iz trenutne porazdelitve vrtinov je mogoče ugotoviti, da se na levoziščni strani tekočega stebra pojavlja močna vrtilna struktura, pri čemer prispeva močna turbulentna gibanja v območju z nizko hitrostjo ponovnega cikliranja k razpadu pladnate strukture tekočega stebra in oblikovanju kapljic.

Merilo razmerja med začetničnim premerom struja in najmanjšo dimenzijo toka tekočinskega struja, ko se stolp tekočine začne razpadati pri različnih Weberskih številih, je prikazano na Sliki 10. Na sliki je di najmanjša dimenzija toka tekočinskega struja, ko se stolp tekočine začne razpadati, in D3 začetni premer tekočinskega struja. Iz slike je vidno, da so rezultati izračunov VLES v dober sklad z eksperimentalnimi rezultati, ki so boljši kot rezultati izračunov velikih vrtinskih simulacij v literaturi [21].

Nestabilnost gorenja Zelo velika eddija simulacija

Da bi se izpolnile zahteve za nize ekologije, so gorivne komore civilnih letal običajno načrtovane z predmešanim ali delno predmešanim gojenjem s malo goriva. Vendar pa je predmešano gojenje z malo goriva nezanesljivo in ga lahko podkrmilijo termoakustično povezane oscilacijske načine gojenja, kar vodi do nestabilnosti pri gojenju. Nestabilnost pri gojenju je zelo uničujoča in se lahko pojavlja s problemi kot so povratna iskanja in deformacija snovi, kar je izredno pomemben problem, s katerim se spopadajo načrtovalec gorivnih komer.

Stevilska analiza nestabilnosti zgorevanja se lahko razdeli na dve kategoriji: metoda ločevanja in neposredna metoda povezovanja. Metoda napovedi nestabilnosti zgorevanja z ločevanjem loči neustavno zgorevanje od akustičnih rešitev. Neustavno zgorevanje zahteva veliko število numeričnih vzorcev izračunov, da bi se zgradila zanesljiva funkcija opisa plamena. Če se uporabi metoda simulyacije velikih vrtin, je poraba računalniških virov prevelika. Neposredna metoda povezovanja izračunov temelji na metodi stiskljivega reševanja in neposredno pridobi rezultat nestabilnosti zgorevanja skozi visoko točno neustavno simulacijo, torej je proces povezanega izračuna neustavnega zgorevanja in akustike pod dano delovno pogoji zaključen v enem računskem okvirju.

V študiji numerične simulacije odstranitve nestabilnosti gorenja so Huang in sodelavci [27] razvili model izračuna nestabilnosti gorenja, ki je temeljil na metodi VLES, povezani s metodami zadevnega računanja plamena, in doseglejo točno napovedovanje nestabilnega procesa gorenja pri zvočnem podsevanju. Primer izračuna je stacionaren polno premesan plamen etilen/vez tržišča Univerze v Cambridgi z ravnotežnim omerskim koeficientom 0.55 in Reynoldsovo številko okoli 17000. Primerjava med rezultati izračunov VLES in eksperimentalnimi rezultati nestabilnih dinamičnih lastnosti plamena pri zvočnem podsevanju je prikazana na Sliki 12. Iz slike je očitno, da se med procesom vhoda podsevanja plamen vrti na notranjih in zunanjih strihnih plastih in se spopada v par protismerne vrtilne vrtine. V tem procesu se nadaljnja razvoj oblike plamena v obliki glive nadaljuje z spremembo fazi kota. Rezultati izračunov VLES dobro reproducirajo lastnosti razvoja plamena opazene v poskusih. Primerjava amplitud in faznega razlike odziva stopnje otpuščanja toplote pri zvočnem podsevanju 160 Hz, pridobljenih z različnimi računskimi metodami in meritvami, je prikazana na Sliki 13. Na sliki sta Q' in Q ͂ so oziroma pulsujoča in povprečna izpustitev toplote pri gorenju, A je amplituda sinusne akustične pobude, in ordinata slike 13 (b) je fazni razlikov med prehodno izpusto toplote pri gorenju pod akustično pobudo in signalom hitrostne pobude na vstopu. Iz slike je vidno, da je napovedna točnost metode VLES primerljiva z točnostjo simulacije velikih vrtin [28], in oba se dobro ujemata z eksperimentalnimi vrednostmi. Kljub temu, da neposredna RANS metoda napove še trend nelinearne odzivnosti, se izračunane količinske rezultate veliko razlikujejo od eksperimentalnih vrednosti. Za rezultate faznega razlikovanja (slika 13 (b)) se trend faznega razlikovanja, ki ga napoveduje VLES metoda glede na amplitudo motnje, osnovno ujema z eksperimentalnimi rezultati, medtem ko rezultati simulacije velikih vrtin zgornji trend ne napovedujejo dobro.