Forskningsframsteg om aerodynamiska prestationer för brännkammaren i flygmotorer baserat på stora eddysimuleringar

Forskningsframsteg om aerodynamiska prestationer för brännkammaren i flygmotorer baserat på stora eddysimuleringar

Förbränningskammaren är en av de centrala komponenterna i en flygmotor, och aerodynamiska prestationen hos förbränningskammaren spelar en avgörande roll för prestandan på hela motorn. För att uppfylla de allt striktare tekniska kraven från motorn på förbränningskammaren har organisationsläget för förbränningen och strömningskaraktäristiken inom kammaren blivit mycket komplexa. Försnabbnings- och tryckhöjningsprocessen i diffusoren kan möta strömningsskiljning under en stark ogunstig tryckgradient; luftströmmen passerar genom en flerstadigs virvelapparat för att skapa storskaliga virvelformningar, vilket å ena sidan främjar atomiseringen och utdampningen av vätskebränslet och bildar en starkt pulsande, instabil blandning med bränslet, och å andra sidan genererar en stationär flamma i aerodynamiska recirkulationszonen; de flera strålarna från huvudförbrännings/mixningshålen interagerar med den laterala strömmingen i flammrören för att skapa en motsvarande rotande virvelpar, vilket har stor betydelse för turbulenta blandningar. På grundval av strömningen är multi-skaliga fysikaliska och kemiska processer som atomisering och utdampning, blandning, kemisk reaktion och interaktion mellan turbulence och flamma starkt kopplade, vilket gemensamt bestämmer aerodynamiska egenskaper hos förbränningskammaren. Den högprecisa modelleringen och beräkningen av dessa fysikaliska och kemiska processer har alltid varit en aktuell forskningsfråga både hemma och utomlands.

Den atomisering, förvarning, blandning och förgasningsprocesserna i förgasningskammaren utvecklas och utvecklar sig i ett turbulent strömningsmiljö, så strömningen är grunden för simuleringen av den aerodynamiska prestandan hos förgasningskammaren. Den grundläggande karaktäristiken för turbulence är att strömningsparametrarna visar slumpmässig pulsation på grund av det icke-linjära konvektionsprocesset. Turbulens innehåller många virvelstrukturer. De olika virvlar spansningarna i längd- och tidskalor är enorma, och när Reynolds-talet ökar, ökar spansningarna mellan skalorna skarpt. Enligt proportionen av turbulenta virvelstrukturer som direkt lösas, turbulence simulering  metoder delas in i direkt numerisk simulering (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), large eddy simulation (LES) och blandade turbulenssimuleringsmetoder. RANS-metoden, som används allmänt inom ingenjörsvetenskapen, löser den turbulenta medelfältet och använder en modell för att simulera all turbulent pulsationsinformation. Beräkningsmängden är liten, men noggrannheten är dålig. För stark svirring och instabila flödesprocesser i brännkammaren uppfyller RANS inte kraven på detaljerad design. Pitsch pekade på att beräkningskomplexiteten hos LES ligger mellan RANS och DNS och används för närvarande för turbulenta brännningssimuleringar i obegränsade utrymmen med medium och låga Reynolds-tal. På grund av den lilla skalan på turbulence i närmursområdet av brännkammaren och det höga Reynolds-talet för strömmen krävs antalet nät för LES-beregningar av en enda huvudström i brännkammaren ensamt räknas i hundramiljoner till miljarder. Sådana höga krav på beräkningsresurser begränsar den omfattande användningen av LES i brännkammersimuleringar.

Upprättandet av högprecisionsberäkningsmodeller och metoder baserade på ramverken för Very Large Eddy Simulation (VLES) och Hybrid RANS-LES-metod är en viktig trend inom numerisk simulering. VLES-metoden som utvecklades av Han et al. löser problemet med låg beräknings-effektivitet orsakat av filtreringsnätets skalning och matchningsbegränsningar vid lösning av turbulensskalor i traditionell LES, och gör det möjligt att realisera kopplad modellering mellan turbulens multi-skala egenskaper, transitoriska utvecklingskaraktärer och nätupplösning. VLES justerar adaptivt förhållandet mellan turbulenslösning och modellering baserat på realtidsegenskaperna hos virvelstrukturutvecklingen, vilket betydande minskar beräkningskostnaderna samtidigt som beräkningsnoggrannheten garanteras.

Trots detta har teorin och egenskaperna hos VLES inte studerats och tillämpats lika omfattande som traditionell LES. Denna artikel introducerar systematiskt modellerings-teorin för VLES och dess tillämpnings-effekter i olika fysikaliska situationer relaterade till förgasare, vilket främjar den storskaliga tillämpningen av VLES inom simuleringsområdet för flygmotorförgasar.

Large Eddy Simulation Method

Inflytandet av turbulenssimuleringsmetoder på beräkningsresursförsbrukning och modeller visas i figur 1. RANS, LES och VLES-metoderna uppnår alla strömsimulering genom turbulensmodellering. Det bör noteras att den tidigaste tydliga definitionen av VLES gavs av Pope, vilket syftar till "att beräkningsnätets skala är för grov så att den turbulenta kinetiska energin som direkt lösas är mindre än 80% av den totala turbulenta kinetiska energin". Samtidigt innebär LES-definitionen som gavs av Pope [6] "att beräkningsnätet är mycket finare så att den turbulenta kinetiska energin som direkt lösas är större än 80% av den totala turbulenta kinetiska energin". Å andra sidan bör noteras att VLES-metoden som introduceras i detta dokument är en ny beräkningsmetod som har omformats och utvecklats baserat på den tidigare metoden. Trots att namnen är desamma är den nya VLES-metoden i sin själva natur olika från VLES-metoden som definierades av Pope. Som kan ses av figuren följer de traditionella turbulensmoderna i ordningen av beräkningsnoggrannhet: RANS, URANS, hybrid RANS/LES, LES och DNS. Under den nya modellramen delas turbulensmoderna in i RANS, VLES och DNS i ordningen av beräkningsnoggrannhet. Det vill säga, VLES-metoden realiserar enifieringen av flera traditionella turbulensmodeller, och olika modeller övergår och konverteras smidigt på ett adaptivt sätt baserat på lokala egenskaper under faktiska beräkningar.

Simulering av typiska fysikaliska processer i förbränningskammaren

Very Large Eddy Simulation av starkt virvelande flöde

Förbränningskammaren i en flygmotor brukar använda flödesorganisationsformer som flerstads-virvel och stark virvel. Virvelflöde är det mest grundläggande flödesformen i förbränningskammaren. Eftersom virvel dominerar både i flödesriktningen och i den tangentiella riktningen, har turbulent pulsation av virvel starkare anisotropi än traditionellt rörflöde, kanalflöde och strömflöde. Därför ställer numerisk simulering av virvel ett stort krav på turbulenssimuleringsmetoden. Xia et al. använde VLES-metoden för att beräkna det klassiska exemplet på starkt virvelande flöde i röret; Dellenback et al. [14] utförde flödesfältsexperimenter på detta exempel och har detaljerade experimentdata. Flödets Reynolds-tal för det beräknade exemplet är 1.0 × 105 (baserat på diametern av den cirkelformiga röret) och svirvletals är 1.23. Två uppsättningar av strukturerade nät används i beräkningen. Det totala antalet sparska nät (M1) är ungefär 900 000 och det totala antalet krypterade nät (M2) är ungefär 5,1 miljoner. De statistiska momentresultat som erhålls genom beräkning jämförs vidare med experimentella resultat för att verifiera beräkningsnoggrannheten av VLES-metoden.

Jämförelsen av beräkningsresultaten av olika metoder och experimentella resultaten av den radialspridna cirkumferensiella genomsnittliga hastigheten och pulsationshastigheten vid olika nedströmspositioner under starkt svängande flöde visas i figur 4. I figuren är de horisontella och vertikala koordinaterna dimensionslösa avstånd och dimensionslös hastighet, respektive, där D1 är diametern på indatans cirkulära rör och Uin är den ingående genomsnittliga hastigheten. Som kan ses på figuren visar flödesfältet ett typiskt Rankin-likt sammansatt virvel som alltmer övergår till en enskild stel kroppsvirvel. Genom att jämföra beräknings- och experimentsresultaten kan det konstateras att VLES-metoden har en hög beräkningsnoggrannhet för prediktionen av den cirkumferensiella hastigheten vid starkt svängande flöde, vilket överensstämmer väl med fördelningen av experimentella mätningar. Den traditionella RANS-metoden har en mycket stor avvikelse vid beräkning av svängningsflödet och kan inte korrekt förutsäga den rumsliga utvecklingen av svängningsflödesfältet och turbulenta pulsationer. I jämförelse har VLES-metoden en mycket hög noggrannhet vid prediktionen av genomsnittlig hastighetsfält, pulsationshastighetsfält och rumslig utveckling under komplext starkt svängande flöde, och kan fortfarande garantera en hög beräkningsnoggrannhet även vid relativt sparsam nätupplösning. För prediktionen av den cirkumferensiella genomsnittliga hastigheten är beräkningsresultaten av VLES-metoden i stort sett konsekventa vid två olika uppsättningar av sparsamt och tätt nät.

Stor Edde-simulering av turbulent combustion

För att studera möjligheten att använda VLES-metoden för att förutsäga problem med turbulent combustion [15-16], utvecklades en turbulent combustionsmodell baserad på VLES-metoden kopplad till flammans genererade manifolder (FGM). Den grundläggande idén är att anta att den turbulenta flammen har en lokal en-dimensionell laminär flammestruktur, och att den turbulenta flammeytan är den ensemble-genomsnittliga av en serie laminära flammeytor. Därför kan det högdimensionella komponentutrymmet kartas till ett lågdimensionellt strömningsmönster som består av några karakteristiska variabler (blandningskvot, reaktionsframstegsvariabel, etc.). Under förutsättning att detaljerade reaktionsscheman beaktas, minskas antalet transportekvationer som behöver lösas avsevärt, vilket i sin tur betydligt minskar beräkningskostnaden.

Den specifika implementeringsprocessen är att bygga FGM-laminala datatabellen baserat på blandningsbråket och reaktionsframstegsvariablerna, ta hänsyn till interaktionen mellan turbulent bränning genom att anta sannolikhetsdensitetsfunktionsmetoden för att integrera laminala datatabellen och därmed få turbulent datatabell. I den numeriska beräkningen lösas transportekvationerna för blandningsbråket, reaktionsframstegsvariablerna och motsvarande varians, och brännfältsinformationen erhålls genom att fråga turbulent datatabell.

Turbulenta förgasningsmodellen baserad på VLES och FGM användes för att utföra numeriska beräkningar på den turbulenta metan/luft strömflamman (Flame D) som mättes av Sandia-laboratoriet i USA, och kvantitativa jämförelser gjordes med de experimentella mätdata. Bränslematerialet i Sandia exemplet Flame D (Reynolds-talet är 22400) är en fullständig blandning av metan och luft med ett volymförhållande på 1:3, bränsleinflocestaxeln är ungefär 49,9 m/s och efterträsgheten är ungefär 11,4 m/s. Den funktionella flammorna är en blandning av förbrännt metan och luft, och efterträsmaterialen är ren luft. Beräkningen använder en strukturerad nät, och det totala antalet nät är ungefär 1,9 miljoner.

Fördelningen av den genomsnittliga massbrukten av olika komponenter längs axeln visas i figur 5. De horisontella och vertikala koordinaterna i figuren är dimensionslös avstånd (D2 är diameter på inletstrålet) och dimensionslös massbruk, respektive. Det kan ses från figuren att förutsägelsen av de huvudsakliga komponenterna i förgasningsprocessen med VLES-metoden överensstämmer generellt bra med experimentella resultat. Den spridda fördelningen av temperatur vid olika nedströmspositioner i blandningsfraktionens utrymme visas i figur 6. Det kan ses från figuren att den spridda fördelningsutvecklingen som förutses av VLES-metoden är i stort sett konsekvent med experimentella resultaten, och endast det beräknade temperaturmaximalvärdet är något högre än experimentvärdena. Fördelningen av ögonblicklig rotation, temperatur och upplösningsskapsfunktion som beräknats av VLES visas i figur 7, där den fasta linjen tas som Zst=0,351. Det kan ses från figuren att kärnstrålets område visar starka turbulenta pulsationer, och när flödesfältet utvecklas nedströms, ökar skalan på rotationsstrukturen alltmer. Som kan ses av figur 7 (b) och (c), i de flesta kemiska reaktionsområdena ligger upplösningsskapsfunktionen mellan 0 och 1, vilket indikerar att den lokala rutnätetsupplösningen kan fånga stor-skala-turbulens och endast simulera små-skala-turbulens via modellen. I detta fall beter sig VLES som en ungefärlig stor-rotations-simuleringslösning. I strålets skjuvlager och ytan på nedströmsflamman är upplösningsskapsfunktionen nära 1, vilket indikerar att avskurets filtrerskala för beräkningsrutnätet är större än den lokala turbulensskalan. I detta fall beter sig VLES som en instabil Reynolds-gjennomsnittlig lösning. Sammanfattningsvis kan man se att VLES-metoden kan realisera transformationen av flera turbulenslösningstillstånd enligt realtidsegenskaperna hos rotationsstrukturens utveckling och kan noggrant förutsäga den instabila förgasningsprocessen i turbulenta flamor.

Storskalig eddy-simulering av den fullständiga atomiseringsprocessen

Mesta delen av bränslet som används i förmotsrummet för en flygplansmotor är vätskebränsle. Vätskebränsle introduceras i förmotsrummet och genomgår primär atomisering och sekundär atomiseringsprocesser. Det finns många utmaningar vid simuleringen av den fullständiga atomiseringsprocessen för vätskebränsle, inklusive att fånga gas-vättek topologiska gränssnittskonfigurationer, deformation och sprickning av vätskekolumner, brytning och utveckling av vätskeband och vätskefibrer till droppar, samt interaktion mellan turbulent flöde och droppar. Huang Ziwei [19] utvecklade en simulering av den fullständiga atomiseringsprocessen baserad på VLES-metoden kopplad med VOFDPM-hybriddatomiseringsberäkningsmetoden, vilket möjliggör numerisk simulering av hela processen för bränsleatomisering från kontinuerlig vätska till diskreta droppar.

En nyutvecklad simuleringsmodell för atmiseringsprocessen användes för att utföra högprecisionsnumeriska beräkningar av den klassiska sidledsströmningens atmiseringsprocess av en vätskekolumn, och en detaljerad jämförelse gjordes med experimentella resultat i den öppna litteraturen [20] och de stora eddy-simuleringsresultaten [21]. I beräkningsexemplet är gasfasen luft med hastigheter på 77,89 och 110,0 m/s respektive, och vätskefasen är vätskevatten med en hastighet på 8,6 m/s. De motsvarande Weber-talen är 100 och 200 respektive. För att bättre simulera den sekundära upplösningss processen använder uppdelningsmodellen Kelvin-Helmholtz och Rayleigh-Taylor (KHRT)-modellen.

Den fullständiga atomiseringsprocessen som förutses av VLES under Weber-talet 100-villkoren visas i figur 8. Som kan ses på figuren bildas en tunn skiva av vätskekolumn i den inledande området, och därefter bryts vätskekolumnen upp i vätskeband och vätskefibrer, och bryts sedan upp i droppar på grund av aerodynamisk kraft, och dropparna bryts ytterligare upp i mindre droppar genom sekundär brytning. Strömningshastigheten och spanningsvis vorticiteetsfördelningen beräknade av VLES under Weber-talet 100-villkoren visas i figur 9. Som kan ses på figuren finns det en typisk låg fart återcirkulationszon på lemkanten av vätskekolumnen. Det kan konstateras från den momentana vorticiteetsfördelningen att lemkanten av vätskekolumnen visar en stark virvelstruktur, och den starka turbulent rörelsen i låg fart återcirkulationszonen bidrar till rivningen av vätskekolumnskivan och bildandet av droppar.

Förhållandet mellan den ursprungliga strömdiametern och den minsta strömningen av vätskestrålet när vätskekolumnen börjar brytas upp vid olika Weber-tal visas i figur 10. I figuren är di den minsta strömningen av vätskestrålet när vätskekolumnen börjar brytas upp, och D3 är diametern på det ursprungliga vätskestrålet. Det kan ses från figuren att VLES-beräkningsresultaten överensstämmer väl med experimentella resultaten, vilket är bättre än de stora eddy-simuleringarna i litteraturen [21].

Bränninstabilitet Stor Edgy Simulering

För att uppfylla kraven på låga utsläpp är brännkammaren i civila flygplan vanligtvis utformad med förbränning av förblandat eller delvis förblandat torrt gas. Dock har torr förblandad förbränning dålig stabilitet och är benägen att uppväcka termoakustiskt kopplade oscillationslägen, vilket leder till förbränningsinstabilitet. Förbränningsinstabilitet är högst förstörande och kan vara förenad med problem som flashback och fasta deformeringar, vilket är ett framträdande problem som står inför designen av brännkammare.

Den numeriska beräkningen av bränninstabilitet kan delas in i två kategorier: decoupling-metod och direkt kopplingsmetod. Den decoupled bränninstabilitetsprediktionsmetoden separerar den instationära bränning och akustiska lösningar. Instationär bränning kräver en stor mängd numeriska beräkningsprov för att bygga en pålitlig flammefunktionsbeskrivning. Om den stora eddy-simulationsmetoden används, är dess datorkraftsförbrukning för stor. Den direkta kopplingsberäkningsmetoden baseras på den komprimerbara lösningsmetoden och erhåller direkt resultatet av bränninstabilitet genom högprecisionens instationära beräkningar, det vill säga, kopplingsberäkningsprocessen av instationär bränning och akustik under givna arbetsvillkor slutförs på en gång inom samma beräkningsram.

Inom studien av numerisk simulering av avkoppling av bränninstabilitet utvecklade Huang et al. [27] en beräkningsmodell för bränninstabilitet baserad på VLES-metoden kopplad med tjockflammemetoden, och uppnådde en preciser prediktion av den instabila brännprocessen under ljudexitation. Beräknings exemplet är en stilla etylen/luft fullt förbränningstillagd flamma utvecklad av Cambridge University, med en ekvivalenskvot på 0.55 och en Reynolds-tal på ungefär 17000. Jämförelsen mellan VLES-beräkningsresultaten och experimentella resultaten av den instabila flammans dynamiska egenskaper under ljudexitation visas i figur 12. Det kan ses från figuren att under inletsexitationsprocessen rullar flammen över vid de inre och yttre skjuvlagen och utvecklas till ett motvarande rotationspar. I detta process fortsätter utvecklingen av svampformiga flammprofiler att utvecklas med förändringen av fasvinkeln. VLES-beräkningsresultaten återskapar väl de flammeevolutionskaraktäristiker som observerades i experimentet. Jämförelsen av amplituden och fasdiffensen för värmeutsläppsresonansen under 160 Hz-ljudexitation erhållen av olika beräkningsmetoder och experimentella mätningar visas i figur 13. I figuren, Q' och Q ͂ är pulsande värmeutsläpp och genomsnittligt värmeutsläpp av förbränning, respektive, A är amplituden av sinusformad akustisk excitation, och den vertikala axeln i figur 13 (b) är fasdifferensen mellan det transitoriska värmeutsläpps-signalet av förbränning under akustisk excitation och inletthastighets-excitationsignalen. Som kan ses från figuren, är prediktionsnoggrannheten av VLES-metoden jämförbar med noggrannheten av stor eddy-simulering [28], och båda överensstämmer väl med experimentella värden. Även om den instationära RANS-metoden förutsäger trenden av den icke-linjära responsen, avviker de beräknade kvantitativa resultaten starkt från experimentella värden. För fasdifferensresultaten (figur 13 (b)) är trenden av fasdifferensen som förutses av VLES-metoden med störamplituden i huvudsak konsekvent med experimentella resultaten, medan stor eddy-simuleringsresultaten inte förutsäger ovanstående trend väl.