Napredak istraživanja u oblasti aerodinamičkog performansa gorišne komore letskog motora temeljen na velikoj eddiesimulaciji

Napredak istraživanja u oblasti aerodinamičkog performansa gorišne komore letskog motora temeljen na velikoj eddiesimulaciji

Komora sagoravanja je jedan od osnovnih komponenti avionskog motora, i aerodinamička performansa komore sagoravanja igra ključnu ulogu u performansama celog motora. Da bi se ispunile sve čajnije tehničke zahteve motora prema komori sagoravanja, način organizacije sagoravanja i strujne karakteristike unutar komore su postale vrlo složene. Proces usporavanja i pritisivanja difuzora može da susreće strujno odvajanje pod dejstvom jakog nepovoljnog gradijenta pritiska; vazdušni tok prolazi kroz višeslojni vrtložni uređaj formirajući veliku vrtložnu strukturu, koja s jedne strane podržava atomizaciju i isparivanje tekućeg goriva i formira jachče pulsujuće, nestabilne mešavine sa gorivom, a s druge strane generiše stacionarno plameno u aerodinamičkoj recirkulacionoj zoni; višestruki jetovi iz glavne rupе za sagoravanje/mešanje interaguju sa bočnim tokom u plamenoj cijevi formirajući kontrarotacione vrtložne parove, koji imaju važan uticaj na turbulentno mešanje. Na osnovu toka, višemaskalne fizičke i hemijske procese poput atomizacije i isparivanja, mešanja, hemijske reakcije i interakcije između turbulence i plamena su jačano povezani, zajedno određujući aerodinamičke karakteristike komore sagoravanja. Visoko precizno modelovanje i računanje ovih fizičkih i hemijskih procesa je uvijek bilo trenutak istraživanja u domini i inozemstvu.

Procesi atomizacije, evaporacije, mešanja i sagorevanja u gorivaču razvijaju se i evolviraju u sredini turbulentnog toka, pa je tok osnova za simulaciju aerodinamičkog performansa gorivača. Osnovna karakteristika turbulentnosti jeste da parametri toka prikazuju slučajne pulsatije zbog nelinearnog konvekcione procesa. Turbulentnost sadrži mnoge vorteksne strukture. Rastojanja između različitih vorteksnih struktura u dužinskim i vremenskim skalama su ogromna, a kako raste broj Reynolds, rastuća su razmaka između skala. Prema proporciji turbulentnih vorteksnih struktura koje se direktno rešavaju, simulacija turbulentnosti  metode su podijeljene na direktnu numeričku simulaciju (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), velikih vrtloga simulaciju (LES) i mješavine metoda za simulaciju turbulentnosti. RANS metoda, koja se široko koristi u inženjerstvu, rešava turbulentno srednje polje i koristi model da simulira sve informacije o turbulentnim pulsačnim procesima. Izračun je malog obima, ali je netačan. Za jake vrtlogaste i nestaljne protokove u gorivnoj komori, RANS ne može ispunjiti zahteve preciznog dizajna. Pitsch je istakao da je računarska složenost LES-a između RANS i DNS, i trenutno se koristi za izračunavanje turbulentnog gorenja u neograničenim prostorima sa srednjim i niskim Reynolds brojevima. Zbog male dimenzije turbulentnosti u bliskosti zidova gorevnje komore i visokog Reynolds broja protoka, broj mreža potrebnih za LES izračunavanje samo jedne glave gorevnje komore je u rasponu od stotina miliona do milijardi. Takva visoka potrošnja računarskih resursa ograničava široku upotrebu LES-a u simulacijama gorevnje komora.

Uspostava modela i metoda visoke tačnosti za izračunavanje na osnovu Jedne Velike Eddi Simulacije (VLES) i hibridnog RANS-LES Metodološkog okvira predstavlja važan trend u numeričkoj simulaciji. VLES metoda koju su razvili Han i saradnici rešava problem niske efikasnosti računanja uzrokovan filterima mrežne skale i ograničenjem prilikom rešavanja turbulencije u tradicionalnoj LES metodi, omogućavajući kopliranje modela između višeskalnih karakteristika turbulencije, trenutnih evolucijskih karakteristika i mrežne rezolucije. VLES prilagođeno reguliše odnos između rešavanja turbulencije i modela na osnovu stvarnih karakteristika evolucije strukture vrtloga, značajno smanjujući troškove računanja dok istovremeno osigurava tačnost izračunavanja.

Ipak, u poređenju sa tradicionalnom LES, teorija i karakteristike VLES nisu dovoljno istražene i primenjene. Ovaj rad sistematski predstavlja modelnu teoriju VLES i njegove efekte primene u različitim fizičkim scenarijima povezanim sa gorivaonim sobama, štampeći veliku primenu VLES-a u oblasti simulacije gorivaonih soba avijskog motora.

Metoda Velikih Vrtloga

Prikazana je uticaja metoda simulacije turbulentnosti na potrošnju računarskih resursa i modela u Slici 1. Metode RANS, LES i VLES sve postižu simulaciju protoka kroz modelovanje turbulentnosti. Treba napomenuti da je najranije jasno definisanje VLES-a dao Pope, što se odnosi na "računarsku mrežu koja je previše grubo granulirana tako da je direktno rešena turbulentna kinetička energija manja od 80% ukupne turbulentne kinetičke energije". Isto vreme, Pope [6] daje definiciju LES kao "računarska mreža je vrlo fina tako da je direktno rešena turbulentna kinetička energija veća od 80% ukupne turbulentne kinetičke energije". Ipak, treba napomenuti da je VLES koji je ovde predstavljen novomodelski pristup koji je remodeliran i razvijen na osnovu prethodnih metoda. Iako su nazivi isti, novi VLES metod je esencijalno različit od VLES metoda definisanog od strane Pope-a. Kao što je vidljivo iz slike, tradicionalni režimi turbulentnosti su RANS, URANS, hibridni RANS/LES, LES i DNS redosledom po tačnosti računanja. U okviru novog modelskog okvira, režimi turbulentnosti su podeljeni u RANS, VLES i DNS redosledom po tačnosti računanja. To znači da VLES metod omogućava unifikaciju više tradicionalnih režima turbulentnosti, a različiti modeli adaptivno prelaze i glatko se pretvaraju prema lokalnim karakteristikama u stvarnim izračunavanjima.

Simulacija tipičnih fizičkih procesa u sagorivaču

Veoma velika simulacija vrtlogastog toka sa jakim vrtloženjem

Sagorivač letskog motora obično koristi oblike organizacije toka polja, kao što su višeslojna vrtloženja i jaka vrtloženja. Vrtlogasti tok je najosnovniji oblik toka u sagorivaču. Budući da je vrtloženje dominantno u oba pravca, točno po liniji toka i u tangencijalnom pravcu, turbulentne pulzacije vrtloženja imaju jaču anizotropiju nego tradicionalni cevični tok, kanalski tok i jet tok. Zbog toga, numerička simulacija vrtlogastog toka stavlja veliku izazov metodi simulacije turbulentnosti. Xia i saradnici su koristili VLES metodu za računanje klasičnog primera jakeg vrtloženja u cevi; Dellenback i saradnici [14] su provedili eksperimente sa poljem toka na ovom primeru i imaju detaljne eksperimentalne podatke. Rejnolds broj toka izračunatog primera je 1.0 × 105 (uzimajući u obzir prečnik kružnog cevovoda) i broj vijrušenja je 1.23. Koriste se dva skupa strukturiranih rešetki za izračunavanje. Ukupan broj retkih rešetki (M1) je oko 900.000, a ukupan broj enkriptovanih rešetki (M2) je oko 5,1 miliona. Rezultati statističkih trenutaka dobijeni izračunavanjem dalje se porede sa eksperimentalnim rezultatima kako bi se potvrdila tačnost izračunavanja VLES metode.

Poređenje rezultata računanja različitih metoda i eksperimentalnih rezultata radialne distribucije srednje obodne brzine i pulsatirajuće brzine na različitim pozicijama unutar strujanja sa jakim vrtložnim tokovima prikazano je na slici 4. Na slici su horizontalna i vertikalna koordinata bezdimenzioni rastojanje i bezdimenziona brzina, gde je D1 prečnik ulazne kružne cijevi, a Uin srednja ulazna brzina. Iz figure se može primetiti da se polje toka pokazuje kao tipičan Rankin-sličan složeni vrtlop koji se postepeno prelazi u jedinstveni čvrsti tijelo vrtlop. Poređenjem računskih i eksperimentalnih rezultata, može se zaključiti da VLES metoda ima visoku tačnost prilikom predviđanja obodne brzine jakega vrtložnog toka, što je u dobru saglasnosti sa raspodelom merenja eksperimenta. Tradicionalna RANS metoda ima vrlo veliku devijaciju prilikom računanja vrtložnog toka i ne može tačno predvideti prostornu evoluciju vrtložnog polja i turbulentnih pulsatija. U usporedbi, VLES metoda ima vrlo visoku tačnost prilikom predviđanja prosečnog brzinog polja, pulsatirajućeg brzinog polja i prostorne evolucije pod kompleksnim jakim vrtložnim tokovima, a može i dalje osigurati visoku tačnost računanja čak i kod relativno retke mreže. Za predviđanje srednje obodne brzine, računski rezultati VLES metode su uglavnom konzistentni za dve skupine retke i guste mreže.

Simulacija velikih eddija turbulentnog gorenja

Kako bi se proučila mogućnost primene metode VLES u predviđanju problema turbulentnog gorenja [15-16], razvijen je model turbulentnog gorenja zasnovan na metodi VLES koja je spojena sa flameltnim generisanim mnogostrukostima (FGM). Osnovna ideja je pretpostaviti da lokacijski ima jednodimenzijsku laminarnu strukturu plamena, a površina turbulentnog plamena predstavlja srednju vrednost niza laminarnih površina plamena. Stoga se visedimenzijski prostor komponenti može preslikati u niskodimenzijski tok koji se sastoji od nekoliko karakterističnih promenljivih (mehsni omjer, promenljiva napretka reakcije itd.). U uslovima kada se uzima u obzir detaljan mehanizam reakcije, broj transportnih jednačina koje treba rešiti znatno se smanjuje, čime se značajno smanjuje i računarski trošak.

Posebni postupak implementacije je da se konstruiše FGM laminarni podatkovni tabelar na osnovu mješovite frakcije i promjenljivih reakcijskog napretka, uzimajući u obzir interakciju između turbulentnog sagorevanja pretpostavljajući metodu funkcije gustoće vjerojatnosti kako bi se integrisao laminarni podatkovni tabelar, a time se dobije turbulentni podatkovni tabelar. U numeričkom računanju rješavaju se transportne jednačine za mješovitu frakciju, promjenljive reakcijskog napretka i odgovarajuću varijansu, a informacije o polju sagorevanja dobijaju se upitom turbulentnog podatkovnog tablica.

Model turbulentnog sagoravanja baziran na VLES i FGM je korišćen za izvođenje numeričkih računanja na metansko/vazduhovom turbulentnom jet flamu (Flame D) meren u laboratoriji Sandia u Sjedinjenim Američkim Državama, a napravljene su kvalitativne uporedbe sa eksperimentalnim merenjima. Gorivo u primeru Sandia Flame D (Reynolds broj je 22400) predstavlja potpunu mešavinu metana i vazduha sa zapreminske omjerom od 1:3, brzina ulaza goriva iznosi oko 49,9 m/s, a brzina u blagostrujnoj zoni iznosi oko 11,4 m/s. Radna plamen je mešavina sagorelog metana i vazduha, dok je materijal u blagostrujnoj zoni čist vazduh. Račun je izvršen koristeći struktuiranu rešetku, a ukupan broj rešetaka iznosi oko 1,9 miliona.

Prikaz raspodele prosečne masene frakcije različitih sastojaka duž ose je dat na slici 5. Horizontalne i vertikalne koordinate na slici su bezdimenzioni rastojanje (D2 predstavlja prečnik ulazne jetske cijevi) i bezdimenzionu masenu frakciju, redom. Iz slike je vidljivo da predviđanje glavnih sastojaka procesa sagorevanja metodom VLES uopšteno dobro odgovara eksperimentalnim rezultatima. Prikaz raspršene distribucije temperature na različitim pozicijama unutar prostora mešanja je dat na slici 6. Iz slike je vidljivo da trend raspršene distribucije predviđen metodom VLES osnovno odgovara eksperimentalnim rezultatima, a samo izračunata ekstremna vrednost temperature je malo veća od eksperimentalne vrednosti. Distribucija trenutne vortikalnosti, temperature i funkcije kontrole rešenja izračunate metodom VLES prikazana je na slici 7, gde se čvrsta linija uzima kao Zst=0.351. Iz slike je vidljivo da centralni područje jetske izražava jak turbulantan pulsiranje, a kako se polje toka razvija ka dolje po proudu, mera vorteksne strukture postepeno raste. Iz slike 7 (b) i (c) je vidljivo da je funkcija kontrole rešenja između 0 i 1 u većini hemijskih reakcionih područja, što ukazuje na to da lokalna mrežna rezolucija može da uhvati velike turbulente fluktuacije i da simulira male turbulente fluktuacije kroz model. U ovom slučaju, VLES ponaša kao režim aproksimativnog rešenja velikih eddija. U sloju presreta jetske i na spoljnoj ivici plamena dolje po proudu, funkcija kontrole rešenja je blizu 1, što ukazuje na to da je otsečena filter skala računskog rešetkovanja veća od lokalne turbulente skale. U ovom slučaju, VLES ponaša kao režim neustaljenog Rejnosovog prosječnog rešenja. U sažetku, može se zaključiti da metoda VLES može da realizuje transformaciju više režima rešavanja turbulencije prema stvarnim karakteristikama evolucije vorteksne strukture, i da precizno može da predvidi nestabilan proces sagorevanja u turbulentnim plamunovima.

Simulacija velikih vrtloga kompletnog procesa atomizacije

Većina goriva koje se koristi u sagorevaču avijskog motora je tekuće gorivo. Tekuće gorivo ulazi u sagorevač i prolazi kroz prvu i drugu fazu atomizacije. Postoji mnogo izazova pri simulaciji kompletnog procesa atomizacije tekućeg goriva, uključujući praćenje konfiguracije topološkog suštinskog interfejsa gas-tekutina, deformaciju i rušenje tekućeg stuba, evoluciju razbijanja tekućih traka i nižaka u kapljice, kao i interakciju između turbulentnog toka i kapljica. Huang Ziwei [19] je razvio model za simulaciju kompletnog procesa atomizacije temeljen na metodi VLES spojenoj sa VOFDPM hibridnom metodom računanja atomizacije, ostvarujući numeričku simulaciju celokupnog procesa atomizacije goriva od neprekinute tekućine do diskretnih kapljica.

Koristeći novoprazni model simulacije procesa atomizacije, izvršene su visokoprecizne numeričke računice klasičnog procesa atomizacije strujanja tečnosti u bočnom toku, a detaljno je poredjenje provedeno sa eksperimentalnim rezultatima u otvorenoj literaturi [20] i rezultatima velikih eddija simulacije računanja [21]. U primeru računanja, faza plina je vazduh sa brzinama od 77,89 i 110,0 m/s, redom, dok je tečna faza voda sa brzinom od 8,6 m/s. Odstupajući Weberovi brojevi iznose 100 i 200, redom. Da bi se bolje simulirao sekundarni proces razbijanja, model razbijanja koristi Kelvin-Helmholtzov i Rayleigh-Taylorov (KHRT) model.

Potpuni proces atomizacije koji je predviđen od strane VLES-a u uslovima broja Weber 100 prikazan je na slici 8. Iz slike je vidljivo da se u početnoj zoni formira tanka membrana tekućinskog stuba, a zatim se tekućinski stub razbija na tekućinske trake i niže, a pod dejstvom aerodinamičke sile se razbija na kapljice, nakon čega se kapljice dalje razbijaju u manje kapljice kroz sekundarnu razbijanje. Distribucija brzine toka i vorticite u pravcu širine izračunata VLES-om u uslovima broja Weber 100 prikazana je na slici 9. Iz slike je vidljivo da postoji tipična zona sporo promeštanja na ledenoj strani tekućinskog stuba. Iz trenutne distribucije vorticite može se zaključiti da ledena strana tekućinskog stuba izgleda sa jakom vorteksnom strukturom, a jak turbuljan motion u zoni sporo promeštanja doprinosi prolomu tekućinske membrane i formiranju kapljica.

Odnos između početnika češljave promjera i minimalne dimenzije toka tekućinskog češljava kada se stup tekućine počinje raspadati za različite brojeve Webera prikazan je na slici 10. Na slici, di predstavlja minimalnu dimenziju toka tekućinskog češljava kada se stup tekućine počinje raspadati, a D3 je početni promjer tekućinskog češljava. Iz slike je vidljivo da su rezultati VLES računanja u dobroj skladnosti sa eksperimentalnim rezultatima, koji su bolji od rezultata računanja velikih vrtloga iz literature [21].

Nestabilnost Goreњa Veoma Veliki Eddi Simulacija

Da bi se ispunila zahteva za niske emisije, goriva za građanske aviokomburente obično se projektuju sa premešavanjem ili delimično premešavanjem siromaštene goriva. Međutim, siromašno premešano gorenje ima lošu stabilnost i lako može da izazove termoakustički spojene oscilacione režime gorenja, što vodi do nestabilnog gorenja. Nestabilno gorenje je vrlo uništavljivo i može biti uzrokovano problemima kao što su povratak plamena (flashback) i deformacija čvrstih materijala, što predstavlja izrazit problem pred kome se suočava dizajn komburente.

Numeričko računanje nestabilnosti sagorevanja se može podeliti na dve kategorije: metodu dekupliranja i direktnu metodu kopljanja. Metoda predviđanja nestabilnosti sagorevanja sa dekupliranjem dekuplira neustaljeno sagorevanje i akustička rešenja. Neustaljeno sagorevanje zahteva veliki broj numeričkih uzoraka računanja da bi se izgradila pouzdana funkcija opisa plamena. Ako se koristi metoda velikih vorteks simulacija, potrošnja računarskih resursa je prevelika. Direktna metoda kopljanja računanja bazira se na metodi kompresibilnog rešavanja i direktno dobija rezultat nestabilnosti sagorevanja putem visoko preciznog neustalog računanja, to jest, proces kopljanja računanja neustalog sagorevanja i akustike u datim radnim uslovima završava se jednom unutar istog računskog okvira.

U proučavanju numeričke simulacije dekupliranja nestabilnosti sagorevanja, Huang i saradnici [27] su razvili model izračunavanja nestabilnosti sagorevanja temeljen na metodu VLES povezanoj sa metodom proširenog računanja plamena, što je omogućilo tačno predviđanje nesaglasnog procesa sagorevanja pod akustičkim pobudama. Primer izračunavanja jeste stacionarni etilen/vez vazduh potpuno premešeni plamen sa tupim telom, razvijen od strane Univerziteta u Kembrijahu, sa koeficijentom ekvivalencije 0.55 i Brojem Reynoldsa oko 17000. Poređenje između rezultata izračunavanja VLES i eksperimentalnih rezultata dinamičkih karakteristika nesaglasnog plamena pod akustičnim pobudama prikazano je na slici 12. Iz slike se vidi da tijekom procesa ulazne pobude, plamen se prevrće na unutrašnjim i spoljnim slojevima presijeka i evoluira u par suprotno rotirajućih vrtlova. U ovom procesu, evolucija oblika plamena u obliku gljive nastavlja se razvijati uz promenu fazi ugla. Rezultati izračunavanja VLES dobro reprodukuju karakteristike evolucije plamena opažene u eksperimentu. Poređenje amplituda i faznog razlika odgovora brzinskog oslobađanja topline pri akustičnoj pobudi od 160 Hz dobijenih različitim metodama izračunavanja i merenja prikazano je na slici 13. U slici su Q' i Q ͂ su odgovarajuće pucajuci i prosječni otpustanje toplote od sagorevanja, A je amplituda sinusne akustičke ekspozicije, a ordinata Slike 13 (b) jeste fazi razlika između privremeno otpuštanog signala sagorevanja pod akustičkom ekspozicijom i signala ekspozicije brzine ulaza. Kao što se vidi iz slike, tačnost predviđanja metode VLES je usporediva sa tačnošću velikih vrtlogovitih simulacija [28], a oba su u dobroj harmoniji sa eksperimentalnim vrijednostima. Iako neustaljena RANS metoda predviđa trend nelinearnog odgovora, izračunati količinski rezultati znatno odstupaju od eksperimentalnih vrijednosti. Za rezultate fazne razlike (Slika 13 (b)), trend fazne razlike predviđene VLES metodom sa amplitudom perturbacije je uglavnom konzistentan sa eksperimentalnim rezultatima, dok velike vrtlogovite simulacije ne predviđaju taj trend dobro.