Напредак истраживања аеродинамичких перформанси коморе за сагоревање мотора авиона на основу симулације великих вртлога

Напредак истраживања аеродинамичких перформанси коморе за сагоревање мотора авиона на основу симулације великих вртлога

Комора за сагоревање је једна од кључних компоненти авионског мотора, а аеродинамичке перформансе коморе за сагоревање играју виталну улогу у перформансама целог мотора. Да би се испунили све строжији технички захтеви мотора за комору за сагоревање, начин организације сагоревања и карактеристике протока унутар коморе за сагоревање су постале веома сложене. Процес успоравања и притиска дифузора може се суочити са раздвајањем протока под јаким неповољним градијентом притиска; проток ваздуха пролази кроз вишестепени вртложни уређај да би се формирала вртложна структура великих размера, која с једне стране подстиче атомизацију и испаравање течног горива и формира снажно пулсирајућу, нестабилну смешу са горивом, а са друге стране ствара стационарни пламен у зони аеродинамичке рециркулације; вишеструки млазници главног отвора за сагоревање/мешање ступају у интеракцију са бочним струјањем у пламеној цеви да би се формирао супротно ротирајући пар вртлога, који има важан утицај на турбулентно мешање. На основу протока, физички и хемијски процеси на више нивоа као што су атомизација и испаравање, мешање, хемијска реакција и интеракција између турбуленције и пламена су снажно повезани, који заједно одређују аеродинамичке карактеристике коморе за сагоревање. Високо прецизно моделирање и прорачун ових физичких и хемијских процеса одувек су били врућа тема истраживања у земљи и иностранству.

Процеси атомизације, испаравања, мешања и сагоревања у комори за сагоревање се развијају и еволуирају у окружењу турбулентног струјања, тако да је проток основа за симулацију аеродинамичких перформанси коморе за сагоревање. Основна карактеристика турбуленције је да параметри струјања показују насумичне пулсације услед процеса нелинеарне конвекције. Турбуленција садржи многе вртложне структуре. Распони различитих вртлога по дужини и временским скалама су огромни, а како се Рејнолдсов број повећава, распони између скала нагло се повећавају. Према пропорцији турбулентних вртложних структура које се директно решавају, симулација турбуленције методе се деле на директну нумеричку симулацију (ДНС), Реинолдс-Аверагед Навиер-Стокес (РАНС), симулацију великих вртлога (ЛЕС) и методе симулације мешане турбуленције. РАНС метода, која се широко користи у инжењерингу, решава турбулентно средње поље и користи модел за симулацију свих информација о турбулентној пулсацији. Износ израчуна је мали, али је тачност лоша. За јаке вртложне и несталне процесе струјања у комори за сагоревање, РАНС не може да испуни захтеве префињеног дизајна. Пич је истакао да је рачунска сложеност ЛЕС-а између РАНС-а и ДНС-а и да се тренутно користи за прорачуне турбулентног сагоревања у неограниченим просторима са средњим и ниским Рејнолдсовим бројевима. Због малог обима турбуленције у области близу зида коморе за сагоревање и високог Рејнолдсовог броја протока, количина мрежа потребних за ЛЕС прорачун само једне главе коморе за сагоревање је у стотинама милиона до милијарди. Овако велика потрошња рачунарских ресурса ограничава широку употребу ЛЕС-а у симулацијама коморе за сагоревање.

Успостављање модела и метода прорачуна високе прецизности заснованих на симулацији веома великих вртлога (ВЛЕС) и хибридном РАНС-ЛЕС методу је важан тренд у нумеричкој симулацији. ВЛЕС метод који су развили Хан ет ал. решава проблем ниске рачунарске ефикасности узроковане филтрирањем скале мреже и решавањем ограничења упаривања скале турбуленције у традиционалном ЛЕС-у, и реализује моделовање спреге између карактеристика више скала турбуленције, карактеристика пролазне еволуције и резолуције мреже. , ВЛЕС адаптивно прилагођава однос између решења турбуленције и моделирања модела на основу карактеристика еволуције вртложне структуре у реалном времену, значајно смањујући рачунске трошкове уз обезбеђивање тачности прорачуна.

Ипак, у поређењу са традиционалним ЛЕС-ом, теорија и карактеристике ВЛЕС-а нису широко проучаване и коришћене. Овај рад систематски уводи теорију моделирања ВЛЕС-а и ефекте његове примене у различитим физичким сценаријима који се односе на коморе за сагоревање, промовишући широку примену ВЛЕС-а у области симулације коморе за сагоревање мотора авиона.

Метода симулације великих вртлога

Утицај метода симулације турбуленције на прорачунску потрошњу ресурса и моделе приказан је на слици 1. РАНС, ЛЕС и ВЛЕС методе постижу симулацију струјања кроз моделирање турбуленције. Треба напоменути да је најранију јасну дефиницију ВЛЕС-а дао Попе, која се односи на „рачунска скала мреже је превише груба тако да је турбулентна кинетичка енергија директно решена мања од 80% укупне турбулентне кинетичке енергије“. Истовремено, значење ЛЕС-а које је дао Попе [6] је „рачунска мрежа је веома фина тако да је турбулентна кинетичка енергија директно решена већа од 80% укупне турбулентне кинетичке енергије“. Ипак, треба напоменути да је ВЛЕС представљен у овом чланку нова рачунска метода која је преуређена и развијена на основу претходне методе. Иако су називи исти, нова ВЛЕС метода се суштински разликује од ВЛЕС методе коју је дефинисао Попе. Као што се може видети са слике, традиционални режими турбуленције су РАНС, УРАНС, хибридни РАНС/ЛЕС, ЛЕС и ДНС по редоследу тачности прорачуна. Према новом оквиру модела, режими турбуленције су подељени на РАНС, ВЛЕС и ДНС по редоследу тачности прорачуна. Односно, ВЛЕС метода остварује обједињавање више традиционалних модова турбуленције, а различити модели адаптивно прелазе и конвертују глатко у складу са локалним карактеристикама у стварним прорачунима.

Симулација типичних физичких процеса у комори за сагоревање

Веома велика вртложна симулација јаког вртложног тока

Комора за сагоревање авионског мотора обично усваја облике организације поља протока као што су вишестепени вртлог и јак вртлог. Вртложни ток је најосновнији облик струјања у комори за сагоревање. Пошто је ковитлац доминантан и у смеру струјања и у тангенцијалном правцу, турбулентна пулсација вртлога има јачу анизотропију од традиционалног тока у цевима, протока у каналу и струјања млаза. Стога, нумеричка симулација вртлога представља велики изазов за метод симулације турбуленције. Ксиа ет ал. користио ВЛЕС метод за израчунавање класичног примера снажног вртложног тока у цеви; Делленбацк ет ал. [14] су на овом примеру спровели експерименте у пољу струјања и имају детаљне експерименталне податке. Рејнолдсов број протока у израчунатом примеру је 1.0×105 (на основу пречника кружне цеви) а број вртлога је 1.23. У прорачуну се користе два сета структурираних мрежа. Укупан број разређених мрежа (М1) је око 900,000, а укупан број шифрованих мрежа (М2) је око 5.1 милион. Резултати статистичког момента добијени прорачуном се даље упоређују са експерименталним резултатима да би се потврдила тачност прорачуна ВЛЕС методе.

Поређење резултата прорачуна различитих метода и експерименталних резултата радијалне дистрибуције ободне просечне брзине и пулсирајуће брзине на различитим низводним позицијама под јаким вртложним струјањем приказано је на слици 4. На слици, хоризонталне и вертикалне координате су бездимензионално растојање и бездимензионална брзина, респективно, где је Д1 пречник кружног улаза цеви, а У вело просек кружног улаза. Као што се може видети са слике, поље протока показује типичан сложени вртлог сличан Ранкину који постепено прелази у један вртлог крутог тела. Упоређујући прорачунске и експерименталне резултате, може се утврдити да ВЛЕС метода има високу прорачунску тачност за предвиђање обимне брзине јаког вртложног струјања, што је у доброј сагласности са дистрибуцијом експерименталних мерења. Традиционална РАНС метода има веома велико одступање у прорачуну вртложног тока и не може тачно предвидети просторну еволуцију поља вртложног тока и турбулентне пулсације. За поређење, ВЛЕС метода има веома високу тачност у предвиђању поља просечне брзине, пулсирајућег поља брзине и просторне еволуције под сложеним јаким вртложним струјањем, и још увек може да гарантује високу тачност прорачуна чак и при релативно малој резолуцији мреже. За предвиђање просечне брзине по ободу, резултати прорачуна ВЛЕС методе су у основи конзистентни на два скупа ретке и густе резолуције мреже.

Симулација великих вртлога турбулентног сагоревања

У циљу проучавања изводљивости ВЛЕС методе у предвиђању проблема турбулентног сагоревања [15-16], развијен је модел турбулентног сагоревања заснован на ВЛЕС методи у комбинацији са разводницима генерисаним пламеном (ФГМ). Основна идеја је претпоставити да турбулентни пламен има једнодимензионалну ламинарну структуру пламена локално, а површина турбулентног пламена је просек ансамбла серије ламинарних површина пламена. Због тога се простор компоненти високе димензије може мапирати у нискодимензионални образац протока састављен од неколико карактеристичних варијабли (фракција смеше, варијабла напредовања реакције, итд.). Под условом разматрања детаљног реакционог механизма, број транспортних једначина које треба решити је значајно смањен, чиме се значајно смањују трошкови прорачуна.

Специфичан процес имплементације је да се конструише табела ламинарних података ФГМ на основу варијабли фракције смеше и напредовања реакције, да се размотри интеракција између турбулентног сагоревања уз претпоставку методе функције густине вероватноће да се интегрише табела ламинарних података и на тај начин добије табела турбулентних података. У нумеричком прорачуну решавају се једначине транспорта фракције смеше, варијабли напредовања реакције и одговарајућа варијанса, а информације о пољу сагоревања се добијају упитом у табели турбулентних података.

Модел турбулентног сагоревања заснован на ВЛЕС и ФГМ коришћен је за извршење нумеричких прорачуна на пламену турбулентног млаза метан/ваздух (Фламе Д) који је измерила лабораторија Сандиа у Сједињеним Државама, а извршена су квантитативна поређења са експерименталним подацима мерења. Горивни материјал примера Сандиа Фламе Д (Рејнолдсов број је 22400) је потпуна мешавина метана и ваздуха са запреминским односом 1:3, брзина улаза горива је око 49.9 м/с, а брзина у буђењу је око 11.4 м/с. Радни пламен је мешавина сагорелог метана и ваздуха, а будни материјал је чист ваздух. Обрачун користи структурирану мрежу, а укупан број мрежа је око 1.9 милиона.

Расподела просечног масеног удела различитих компоненти дуж осе приказана је на слици 5. Хоризонталне и вертикалне координате на слици су бездимензионално растојање (Д2 је пречник улазне млазне цеви) и бездимензионални масени удео, респективно. Са слике се види да је предвиђање главних компоненти процеса сагоревања ВЛЕС методом углавном у доброј сагласности са експерименталним резултатима. Расута дистрибуција температуре на различитим низводним позицијама у простору фракције смеше приказана је на слици 6. Са слике се види да је тренд расуте расподеле предвиђен ВЛЕС методом у основи конзистентан са експерименталним резултатима, а само је израчуната вредност екстрема температуре нешто већа од експерименталне вредности. Расподела тренутне контролне функције вртложности, температуре и резолуције израчунате помоћу ВЛЕС-а приказана је на слици 7, где је пуна линија узета као Зст=0.351. Са слике се може видети да област млаза језгра показује јаку турбулентну пулсацију, а како се поље протока развија низводно, размера структуре вртлога постепено се повећава. Као што се може видети са слике 7 (б) и (ц), у већини области хемијске реакције, функција контроле резолуције је између 0 и 1, што указује да резолуција локалне мреже може да ухвати турбуленцију великих размера и само симулира турбуленцију малих размера кроз модел. У овом тренутку, ВЛЕС се понаша као приближни режим решења за симулацију великих вртлога. У слоју смицања млаза и спољној ивици низводног пламена, функција контроле резолуције је близу 1, што указује да је скраћена скала филтера рачунске мреже већа од локалне скале турбуленције. У овом тренутку, ВЛЕС се понаша као нестабилан режим Рејнолдсовог просечног решења. Укратко, може се видети да ВЛЕС метода може да реализује трансформацију вишеструких режима решења турбуленције у складу са карактеристикама еволуције вртложне структуре у реалном времену и може прецизно предвидети нестационарни процес сагоревања у турбулентним пламеновима.

Велика вртложна симулација комплетног процеса атомизације

Већина горива које се користи у комори за сагоревање мотора авиона је течно гориво. Течно гориво улази у комору за сагоревање и пролази кроз процесе примарне атомизације и секундарне атомизације. Постоје многе потешкоће у симулацији комплетног процеса атомизације течног горива, укључујући хватање конфигурације двофазног тополошког интерфејса гас-течност, деформацију и руптуре стуба течности, еволуцију распада течних трака и течних филамената у капљице и интеракцију између турбулентног тока и капљица. Хуанг Зивеи [19] је развио комплетан модел симулације процеса атомизације заснован на ВЛЕС методи у комбинацији са ВОФДПМ хибридном методом прорачуна атомизације, реализујући нумеричку симулацију пуног процеса атомизације горива од континуалне течности до дискретних капљица.

Новоразвијени симулациони модел процеса атомизације је коришћен за извођење високо прецизних нумеричких прорачуна класичног процеса атомизације течног стуба течног бочног тока, а извршено је и детаљно поређење са експерименталним резултатима у отвореној литератури [20] и резултатима прорачуна симулације великих вртлога [21]. У примеру прорачуна, гасна фаза је ваздух са брзинама од 77.89 и 110.0 м/с, респективно, а течна фаза је течна вода са брзином од 8.6 м/с. Одговарајући Веберови бројеви су 100 и 200, респективно. Да би се боље симулирао секундарни процес распада, модел распада усваја Келвин-Хелмхолтз и Раилеигх-Таилор (КХРТ) модел.

Комплетан процес атомизације који је ВЛЕС предвидео под условом Веберовог броја 100 приказан је на слици 8. Као што се види са слике, у почетној области се формира танак слој колоне течности, а затим се стуб течности распада на течне траке и течне филаменте, и под дејством аеродинамичке силе се разбија на капљице, а капљице се даље разбијају на друге мање капљице. Брзина струје и дистрибуција вртложења по распону израчунате помоћу ВЛЕС-а под условом Веберовог броја 100 приказани су на слици 9. Као што се може видети са слике, постоји типична зона рециркулације мале брзине на заветринској страни стуба течности. Из тренутне дистрибуције вртложења може се утврдити да заветрина стуба течности показује јаку вртложну структуру, а снажно турбулентно кретање у зони рециркулације мале брзине доприноси пуцању слоја стуба течности и формирању капљица.

Однос почетног пречника млаза према минималној димензији протока млаза течности када стуб течности почиње да се разбија под различитим Веберовим бројевима приказан је на слици 10. На слици, ди је минимална димензија протока млаза течности када стуб течности почиње да се разбија, а Д3 је почетни пречник млаза течности. Са слике се може видети да су резултати прорачуна ВЛЕС у доброј сагласности са експерименталним резултатима, који су бољи од резултата прорачуна симулације великих вртлога у литератури [21].

Симулација нестабилности сагоревања веома великих вртлога

Да би се испунили захтеви ниских емисија, коморе за сагоревање цивилних авиона се обично пројектују са претходно мешаним или делимично премиксним сагоревањем. Међутим, мршаво претходно мешано сагоревање има лошу стабилност и склоно је побуђивању термоакустичних спрегнутих осцилационих режима сагоревања, што доводи до нестабилности сагоревања. Нестабилност сагоревања је веома деструктивна и може бити праћена проблемима као што су флешбацк и чврста деформација, што је истакнути проблем са којим се суочава дизајн коморе за сагоревање.

Нумерички прорачун нестабилности сагоревања може се поделити у две категорије: метод раздвајања и метод директног спајања. Метода предвиђања нестабилности одвојеног сагоревања раздваја нестално сагоревање и акустична решења. Нестабилно сагоревање захтева велики број нумеричких прорачунских узорака да би се изградила поуздана функција описа пламена. Ако се користи метода прорачуна симулације великих вртлога, њена потрошња рачунарских ресурса је превелика. Метода прорачуна директне спреге заснива се на методи компресибилног решења и директно добија резултат нестабилности сагоревања кроз високопрецизан нестационарни прорачун, односно процес прорачуна спреге нестационарног сагоревања и акустике под датим условима рада се завршава у једном тренутку у оквиру истог прорачунског оквира.

У проучавању нумеричке симулације раздвајања нестабилности сагоревања, Хуанг ет ал. [27] је развио модел прорачуна нестабилности сагоревања заснован на ВЛЕС методи у комбинацији са методом прорачуна згушњавања пламена и постигао тачно предвиђање несталног процеса сагоревања под акустичном побудом. Пример прорачуна је стационарни етилен/ваздух потпуно унапред мешан пламен који је развио Универзитет Кембриџ, са односом еквиваленције од 0.55 и Рејнолдсовим бројем од око 17000. Поређење резултата ВЛЕС прорачуна и експерименталних резултата динамичких карактеристика нестабилног пламена под акустичним побуђивањем може бити приказано на слици12. у процесу ексцитације, пламен се преврће на унутрашњем и спољашњем смичућем слоју и еволуира у пар вртложних вртлога који се окреће супротно. У овом процесу, еволуција профила пламена у облику печурке наставља да се развија са променом фазног угла. Резултати ВЛЕС прорачуна добро репродукују карактеристике еволуције пламена уочене у експерименту. Поређење амплитуде и фазне разлике одзива брзине ослобађања топлоте под акустичном побудом од 160 Хз добијено различитим методама прорачуна и експерименталним мерењима приказано је на слици 13. На слици, К' и К͂ су пулсирајуће ослобађање топлоте и просечно ослобађање топлоте при сагоревању, респективно, А је амплитуда синусоидног акустичког побуђивања, а ордината на слици 13 (б) је фазна разлика између прелазног сигнала ослобађања топлоте сагоревања при акустичном побуђивању и побудног сигнала улазне брзине. Као што се може видети са слике, тачност предвиђања ВЛЕС методе је упоредива са тачношћу симулације великих вртлога [28], и обе су у доброј сагласности са експерименталним вредностима. Иако нестална РАНС метода предвиђа тренд нелинеарног одзива, израчунати квантитативни резултати у великој мери одступају од експерименталних вредности. За резултате фазне разлике (Слика 13 (б)), тренд фазне разлике предвиђен ВЛЕС методом са амплитудом поремећаја је у основи конзистентан са експерименталним резултатима, док резултати симулације великих вртлога не предвиђају добро горњи тренд.