Forskningsframsteg om aerodynamiska prestanda hos flygplansmotorers förbränningskammare baserat på simulering av stora virvel

Forskningsframsteg om aerodynamiska prestanda hos flygplansmotorers förbränningskammare baserat på simulering av stora virvel

Förbränningskammaren är en av kärnkomponenterna i en flygplansmotor, och förbränningskammarens aerodynamiska prestanda spelar en avgörande roll för hela motorns prestanda. För att möta de allt strängare tekniska kraven på motorn för förbränningskammaren har förbränningsorganiseringssättet och flödesegenskaperna inuti förbränningskammaren blivit mycket komplexa. Diffusorns retardation och trycksättningsprocess kan möta flödesseparering under en stark ogynnsam tryckgradient; luftflödet passerar genom en flerstegs virvelanordning för att bilda en storskalig virvelstruktur, som å ena sidan främjar finfördelningen och förångningen av det flytande bränslet och bildar en starkt pulserande, ostadig blandning med bränslet, och å andra sidan genererar en stationär låga i den aerodynamiska recirkulationszonen; de multipla strålarna i huvudförbrännings-/blandningshålet samverkar med det laterala flödet i flamröret för att bilda ett motroterande virvelpar, vilket har en viktig inverkan på turbulent blandning. På basis av flöde är flerskaliga fysikaliska och kemiska processer såsom finfördelning och förångning, blandning, kemisk reaktion och interaktion mellan turbulens och flamma starkt kopplade, vilket gemensamt bestämmer förbränningskammarens aerodynamiska egenskaper. Högprecisionsmodellering och beräkning av dessa fysikaliska och kemiska processer har alltid varit ett hett ämne för forskning hemma och utomlands.

Finfördelnings-, förångnings-, blandnings- och förbränningsprocesserna i förbränningskammaren utvecklas och utvecklas i en turbulent flödesmiljö, så flöde är grunden för simuleringen av förbränningskammarens aerodynamiska prestanda. Det grundläggande kännetecknet för turbulens är att flödesparametrarna visar slumpmässig pulsering på grund av den olinjära konvektionsprocessen. Turbulens innehåller många virvelstrukturer. Spännvidden av olika virvlar i längd och tidsskalor är enorma, och när Reynolds-talet ökar, ökar spännvidden mellan skalorna kraftigt. Enligt andelen turbulenta virvelstrukturer som är direkt lösta, turbulenssimulering metoderna är uppdelade i direkt numerisk simulering (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), simulering av stor virvel (LES) och simuleringsmetoder för blandad turbulens. RANS-metoden, som används flitigt inom teknik, löser det turbulenta medelfältet och använder en modell för att simulera all turbulent pulsationsinformation. Beräkningsbeloppet är litet, men noggrannheten är dålig. För stark virvling och ostadiga flödesprocesser i förbränningskammaren kan RANS inte uppfylla kraven på förfinad design. Pitsch påpekade att beräkningskomplexiteten för LES ligger mellan RANS och DNS, och används för närvarande för turbulenta förbränningsberäkningar i obegränsade utrymmen med medelstora och låga Reynolds-tal. På grund av den lilla skalan av turbulens i förbränningskammarens område nära väggen och det höga Reynolds-talet för flödet, är mängden galler som krävs för LES-beräkning av enbart ett enda huvud i förbränningskammaren i hundratals miljoner till miljarder. En sådan hög beräkningsresursförbrukning begränsar den utbredda användningen av LES i simuleringar av förbränningskammare.

Etableringen av beräkningsmodeller och metoder med hög precision baserade på ramverken Very Large Eddy Simulation (VLES) och Hybrid RANS-LES Method är en viktig trend inom numerisk simulering. VLES-metoden utvecklad av Han et al. löser problemet med låg beräkningseffektivitet orsakad av filtrering av rutnätsskala och löser turbulensskalamatchningsrestriktioner i traditionella LES, och realiserar kopplingsmodellering mellan turbulens flerskaliga egenskaper, transienta evolutionskarakteristika och nätupplösning. , VLES justerar adaptivt förhållandet mellan turbulenslösning och modellmodellering baserat på realtidsegenskaperna hos virvelstrukturens utveckling, vilket avsevärt minskar beräkningskostnaderna samtidigt som beräkningsnoggrannheten säkerställs.

Ändå, jämfört med traditionell LES, har teorin och egenskaperna hos VLES inte studerats och använts i stor utsträckning. Detta dokument introducerar systematiskt modelleringsteorin för VLES och dess tillämpningseffekter i olika fysiska scenarier relaterade till förbränningskammare, vilket främjar den storskaliga tillämpningen av VLES inom området för simulering av flygmotorförbränningskammare.

Large Eddy Simuleringsmetod

Turbulenssimuleringsmetodernas inverkan på beräkningsresursförbrukning och modeller visas i figur 1. RANS-, LES- och VLES-metoderna uppnår alla flödessimulering genom turbulensmodellering. Det bör noteras att den tidigaste tydliga definitionen av VLES gavs av Pope, som hänvisar till "beräkningsnätskalan är för grov så att den turbulenta kinetiska energin direkt löst är mindre än 80% av den totala turbulenta kinetiska energin". Samtidigt är innebörden av LES som givits av Pope [6] "beräkningsrutnätet är mycket fint så att den turbulenta kinetiska energin direkt löst är större än 80% av den totala turbulenta kinetiska energin". Det bör dock noteras att VLES som introduceras i denna artikel är en ny beräkningsmetod som har omformats och utvecklats på basis av den tidigare metoden. Även om namnen är desamma, skiljer sig den nya VLES-metoden väsentligt från VLES-metoden som definierats av Pope. Som framgår av figuren är de traditionella turbulenslägena RANS, URANS, hybrid RANS/LES, LES och DNS i beräkningsnoggrannhet. Under det nya modellramverket är turbulenslägena uppdelade i RANS, VLES och DNS i ordningsföljd för beräkningsnoggrannhet. Det vill säga, VLES-metoden realiserar föreningen av flera traditionella turbulenslägen, och olika modeller övergår adaptivt och konverterar smidigt enligt lokala egenskaper i faktiska beräkningar.

Simulering av typiska fysikaliska processer i förbränningskammaren

Mycket stor virvelsimulering av starkt virvlande flöde

Förbränningskammaren i en flygplansmotor antar vanligtvis flödesfältorganisationsformer som flerstegsvirvel och stark virvel. Virvelflöde är den mest grundläggande flödesformen i förbränningskammaren. Eftersom virvel är dominerande i både flödesriktningen och tangentiell riktning, har den turbulenta pulseringen av virveln starkare anisotropi än traditionellt rörflöde, kanalflöde och jetflöde. Därför utgör den numeriska simuleringen av virvel en stor utmaning för metoden för turbulenssimulering. Xia et al. använde VLES-metoden för att beräkna det klassiska exemplet med starkt virvelflöde i röret; Dellenback et al. [14] utförde flödesfältexperiment på detta exempel och har detaljerade experimentella data. Flödes Reynolds nummer i det beräknade exemplet är 1.0×105 (baserat på diametern på det cirkulära röret) och virveltalet är 1.23. Två uppsättningar av strukturerade rutnät används i beräkningen. Det totala antalet glesa rutnät (M1) är cirka 900,000 2 och det totala antalet krypterade rutnät (M5.1) är cirka XNUMX miljoner. De statistiska momentresultaten som erhålls genom beräkning jämförs ytterligare med experimentresultaten för att verifiera beräkningsnoggrannheten för VLES-metoden.

Jämförelsen av beräkningsresultaten för olika metoder och de experimentella resultaten av den radiella fördelningen av den periferiska medelhastigheten och pulserande hastigheten vid olika nedströmslägen under starkt virvlande flöde visas i figur 4. I figuren är de horisontella och vertikala koordinaterna dimensionslöst avstånd respektive dimensionslös hastighet, där D1 är diametern i cirkuläret i röret och inloppshastigheten. Som framgår av figuren visar flödesfältet en typisk Rankin-liknande sammansatt virvel som gradvis övergår till en enda styv kroppsvirvel. Genom att jämföra beräknings- och experimentresultaten kan det konstateras att VLES-metoden har en hög beräkningsnoggrannhet för att förutsäga omkretshastigheten för starkt virvlande flöde, vilket stämmer väl överens med fördelningen av experimentella mätningar. Den traditionella RANS-metoden har en mycket stor avvikelse i beräkningen av virvelflöde och kan inte korrekt förutsäga den rumsliga utvecklingen av virvelflödesfältet och turbulent pulsation. Som jämförelse har VLES-metoden en mycket hög noggrannhet i förutsägelsen av medelhastighetsfältet, pulserande hastighetsfält och rumslig evolution under komplext starkt virvlande flöde, och kan fortfarande garantera en hög beräkningsnoggrannhet även vid en relativt sparsam rutnätsupplösning. För förutsägelsen av den periferiska medelhastigheten är beräkningsresultaten för VLES-metoden i princip konsekventa vid två uppsättningar av glesa och täta rutnätsupplösningar.

Stor virvelsimulering av turbulent förbränning

För att studera genomförbarheten av VLES-metoden för att förutsäga problem med turbulent förbränning [15-16] utvecklades en turbulent förbränningsmodell baserad på VLES-metoden i kombination med flamlettgenererade grenrör (FGM). Grundidén är att anta att den turbulenta lågan lokalt har en endimensionell laminär flamstruktur, och den turbulenta flamytan är ensemblemedelvärdet av en serie laminära flamytor. Därför kan det högdimensionella komponentutrymmet mappas till ett lågdimensionellt flödesmönster som består av flera karakteristiska variabler (blandningsfraktion, reaktionsförloppsvariabel, etc.). Under förutsättning att man beaktar den detaljerade reaktionsmekanismen, reduceras antalet transportekvationer som ska lösas avsevärt, vilket avsevärt minskar beräkningskostnaden.

Den specifika implementeringsprocessen är att konstruera den laminära datatabellen för kvinnlig könsstympning baserat på blandningsfraktionen och reaktionsförloppsvariablerna, överväga interaktionen mellan turbulent förbränning genom att anta sannolikhetsdensitetsfunktionsmetoden för att integrera den laminära datatabellen, och på så sätt erhålla den turbulenta datatabellen. I den numeriska beräkningen löses transportekvationerna för blandningsfraktionen, reaktionsförloppsvariabler och motsvarande varians, och förbränningsfältsinformationen erhålls genom att fråga den turbulenta datatabellen.

Den turbulenta förbränningsmodellen baserad på VLES och FGM användes för att utföra numeriska beräkningar på den turbulenta metan/luftstrålslågan (Flame D) uppmätt av Sandia-laboratoriet i USA, och kvantitativa jämförelser gjordes med de experimentella mätdata. Bränslematerialet i Sandia Flame D-exemplet (Reynolds nummer är 22400) är en komplett blandning av metan och luft med ett volymförhållande på 1:3, bränsleinloppshastigheten är cirka 49.9 m/s, och vakningshastigheten är cirka 11.4 m/s. Tullflamman är en blandning av bränd metan och luft, och kölvattnet är ren luft. Beräkningen använder ett strukturerat rutnät och det totala antalet rutnät är cirka 1.9 miljoner.

Fördelningen av medelmassafraktionen av olika komponenter längs axeln visas i figur 5. De horisontella och vertikala koordinaterna i figuren är dimensionslöst avstånd (D2 är diametern på inloppsstråleröret) respektive dimensionslös massfraktion. Det kan ses från figuren att förutsägelsen av huvudkomponenterna i förbränningsprocessen med VLES-metoden i allmänhet överensstämmer bra med de experimentella resultaten. Den spridda fördelningen av temperaturen vid olika nedströmspositioner i blandningsfraktionsutrymmet visas i figur 6. Det framgår av figuren att den spridda fördelningstrenden som förutsägs av VLES-metoden i princip överensstämmer med experimentresultaten, och endast det beräknade extrema temperaturvärdet är något högre än experimentvärdet. Fördelningen av den momentana virvel-, temperatur- och upplösningskontrollfunktionen beräknad av VLES visas i figur 7, där den heldragna linjen tas som Zst=0.351. Det kan ses av figuren att kärnstrålområdet uppvisar kraftig turbulent pulsering, och när flödesfältet utvecklas nedströms ökar skalan på virvelstrukturen gradvis. Som framgår av figur 7 (b) och (c), i de flesta kemiska reaktionsområden är upplösningskontrollfunktionen mellan 0 och 1, vilket indikerar att den lokala nätupplösningen kan fånga storskalig turbulens och endast simulera småskalig turbulens genom modellen. Vid denna tidpunkt beter sig VLES som ett ungefärligt läge för simuleringslösning för stor virvel. I jetskjuvningsskiktet och den yttre kanten av nedströmsflamman är upplösningskontrollfunktionen nära 1, vilket indikerar att den trunkerade filterskalan i beräkningsnätet är större än den lokala turbulensskalan. Vid denna tidpunkt beter sig VLES som ett ostadigt Reynolds medellösningsläge. Sammanfattningsvis kan det ses att VLES-metoden kan realisera omvandlingen av flera turbulenslösningslägen i enlighet med realtidsegenskaperna hos virvelstrukturens utveckling, och kan exakt förutsäga den ostadiga förbränningsprocessen i turbulenta lågor.

Stor virvelsimulering av hela finfördelningsprocessen

Det mesta av bränslet som används i en flygmotors förbränningskammare är flytande bränsle. Flytande bränsle kommer in i förbränningskammaren och genomgår primär atomisering och sekundär atomiseringsprocesser. Det finns många svårigheter med att simulera den fullständiga finfördelningsprocessen av flytande bränsle, inklusive infångningen av den gas-vätske-tvåfas topologiska gränssnittskonfigurationen, vätskekolonnens deformation och brott, uppdelningen av vätskeband och vätsketrådar till droppar, och interaktionen mellan turbulent flöde och droppar. Huang Ziwei [19] utvecklade en komplett atomiseringsprocesssimuleringsmodell baserad på VLES-metoden i kombination med VOFDPM-hybridatomiseringsberäkningsmetoden, som realiserar den numeriska fullprocesssimuleringen av bränsleatomisering från kontinuerlig vätska till diskreta droppar.

En nyutvecklad atomiseringsprocesssimuleringsmodell användes för att utföra numeriska beräkningar med hög precision av den klassiska laterala flödesvätskekolonnens atomiseringsprocess, och en detaljerad jämförelse gjordes med de experimentella resultaten i den öppna litteraturen [20] och de stora virvelsimuleringsresultaten [21]. I räkneexemplet är gasfasen luft med hastigheter på 77.89 respektive 110.0 m/s och vätskefasen är flytande vatten med en hastighet på 8.6 m/s. Motsvarande Weber-siffror är 100 respektive 200. För att bättre simulera den sekundära upplösningsprocessen använder uppdelningsmodellen Kelvin-Helmholtz och Rayleigh-Taylor (KHRT)-modellen.

Den fullständiga finfördelningsprocessen som förutspås av VLES under Weber nummer 100-tillståndet visas i figur 8. Som framgår av figuren bildas ett tunt ark av vätskekolonn i det initiala området, och sedan bryts vätskekolonnen i vätskeband och vätsketrådar, och bryts upp i droppar under inverkan av aerodynamisk kraft, och de andra dropparna bryts upp ytterligare till mindre droppar. Strömningshastigheten och spännviddsvirvelfördelningen beräknad av VLES under Weber nummer 100-villkoret visas i figur 9. Som framgår av figuren finns det en typisk låghastighetsrecirkulationszon på läsidan av vätskekolonnen. Det kan konstateras från den momentana virvelfördelningen att läsidan av vätskekolonnen uppvisar en stark virvelstruktur, och den starka turbulenta rörelsen i låghastighetsrecirkulationszonen bidrar till att vätskekolonnskiktet brister och bildandet av droppar.

Förhållandet mellan den initiala stråldiametern och den minsta flödesdimensionen för vätskestrålen när vätskekolonnen börjar brytas upp under olika Weber-tal visas i figur 10. I figuren är di vätskestrålens minsta flödesdimension när vätskekolonnen börjar brytas upp, och D3 är den initiala vätskestrålediametern. Det kan ses av figuren att VLES-beräkningsresultaten stämmer väl överens med experimentresultaten, som är bättre än de stora virvelsimuleringsberäkningsresultaten i litteraturen [21].

Förbränningsinstabilitet Mycket stor virvelsimulering

För att uppfylla kraven på låga utsläpp är civila flygplans förbränningskammare vanligtvis utformade med förblandad eller delvis förblandad mager förbränning. Mager förblandad förbränning har emellertid dålig stabilitet och är benägen att excitera termoakustiskt kopplade oscillationsförbränningslägen, vilket leder till förbränningsinstabilitet. Förbränningsinstabilitet är mycket destruktiv och kan åtföljas av problem som flashback och solid deformation, vilket är ett framträdande problem för förbränningskammardesign.

Den numeriska beräkningen av förbränningsinstabilitet kan delas in i två kategorier: frånkopplingsmetod och direktkopplingsmetoden. Metoden för förutsägelse av frikopplad förbränningsinstabilitet frikopplar den ostadiga förbränningen och akustiska lösningarna. Ostadig förbränning kräver ett stort antal numeriska beräkningsprov för att bygga en tillförlitlig flambeskrivningsfunktion. Om beräkningsmetoden för simulering av stor virvel används är dess förbrukning av datorresurser för stor. Direktkopplingsberäkningsmetoden är baserad på den komprimerbara lösningsmetoden och erhåller direkt resultatet av förbränningsinstabilitet genom högprecisions instabil beräkning, det vill säga att kopplingsberäkningsprocessen för ostadig förbränning och akustik under givna arbetsförhållanden slutförs på en gång inom samma beräkningsram.

I studien av numerisk simulering av avkoppling av förbränningsinstabilitet, Huang et al. [27] utvecklade en beräkningsmodell för förbränningsinstabilitet baserad på VLES-metoden i kombination med beräkningsmetoden för förtjockningslåga, och uppnådde noggrann förutsägelse av den ostadiga förbränningsprocessen under akustisk excitation. Räkneexemplet är en trubbig kropp stationär eten/luft helt förblandad låga utvecklad av Cambridge University, med ett ekvivalensförhållande på 0.55 och ett Reynolds-tal på cirka 17000. Jämförelsen mellan VLES-beräkningsresultaten och de experimentella resultaten av de ostadiga lågornas dynamiska egenskaper under akustisk excitation kan ses från figuren12. inloppets excitationsprocess rullar lågan över vid de inre och yttre skjuvskikten och utvecklas till ett motroterande virvelpar. I denna process fortsätter utvecklingen av den svampformade flamprofilen att utvecklas med förändringen av fasvinkeln. VLES-beräkningsresultaten återger väl flamutvecklingsegenskaperna som observerades i experimentet. Jämförelsen av amplituden och fasskillnaden för värmeavgivningshastighetssvaret under 160 Hz akustisk excitation erhållen genom olika beräkningsmetoder och experimentella mätningar visas i figur 13. I figuren Q' och Q͂ är den pulserande värmeavgivningen respektive den genomsnittliga värmeavgivningen vid förbränning, A är amplituden för sinusformad akustisk excitation, och ordinatan i figur 13 (b) är fasskillnaden mellan den transienta värmeavgivningssignalen för förbränning under akustisk excitation och inloppshastighetsexciteringssignalen. Som framgår av figuren är prediktionsnoggrannheten för VLES-metoden jämförbar med noggrannheten för simulering av stor virvel [28], och båda stämmer väl överens med experimentvärdena. Även om den ostadiga RANS-metoden förutsäger trenden av olinjärt svar, avviker de beräknade kvantitativa resultaten kraftigt från de experimentella värdena. För fasskillnadsresultaten (Figur 13 (b)) är trenden för fasskillnaden som förutsägs av VLES-metoden med störningsamplituden i grunden överensstämmande med experimentresultaten, medan resultaten av simulering av stora virvel inte förutsäger ovanstående trend väl.