ความคืบหน้าการวิจัยสมรรถนะทางอากาศพลศาสตร์ของห้องเผาไหม้เครื่องยนต์เครื่องบินโดยใช้การจำลองกระแสน้ำวนขนาดใหญ่

ความคืบหน้าการวิจัยสมรรถนะทางอากาศพลศาสตร์ของห้องเผาไหม้เครื่องยนต์เครื่องบินโดยใช้การจำลองกระแสน้ำวนขนาดใหญ่

ห้องเผาไหม้เป็นส่วนประกอบหลักอย่างหนึ่งของเครื่องยนต์เครื่องบิน และประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์ของห้องเผาไหม้มีบทบาทสำคัญต่อประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ทั้งหมด เพื่อตอบสนองความต้องการทางเทคนิคที่เข้มงวดยิ่งขึ้นของเครื่องยนต์สำหรับห้องเผาไหม้ โหมดการจัดระเบียบการเผาไหม้และลักษณะการไหลภายในห้องเผาไหม้จึงมีความซับซ้อนมากขึ้น กระบวนการลดความเร็วและแรงดันของตัวกระจายอาจเผชิญกับการแยกการไหลภายใต้การไล่ระดับแรงดันเชิงลบที่รุนแรง การไหลของอากาศผ่านอุปกรณ์หมุนหลายขั้นตอนเพื่อสร้างโครงสร้างกระแสน้ำวนขนาดใหญ่ ซึ่งในด้านหนึ่งส่งเสริมการแตกตัวและการระเหยของเชื้อเพลิงเหลวและสร้างส่วนผสมที่เต้นเป็นจังหวะอย่างรุนแรงและไม่คงตัวกับเชื้อเพลิง และในอีกด้านหนึ่ง สร้างเปลวไฟคงที่ในโซนการหมุนเวียนอากาศพลศาสตร์ เจ็ทหลายตัวของรูเผาไหม้/ผสมหลักโต้ตอบกับการไหลด้านข้างในท่อเปลวไฟเพื่อสร้างคู่กระแสน้ำวนที่หมุนสวนทางกัน ซึ่งมีอิทธิพลสำคัญต่อการผสมแบบปั่นป่วน บนพื้นฐานของการไหล กระบวนการทางกายภาพและเคมีหลายระดับ เช่น การทำให้เป็นละอองและการระเหย การผสม ปฏิกิริยาเคมี และปฏิสัมพันธ์ระหว่างความปั่นป่วนและเปลวไฟ เชื่อมโยงกันอย่างแน่นหนา ซึ่งกำหนดลักษณะอากาศพลศาสตร์ของห้องเผาไหม้ร่วมกัน การสร้างแบบจำลองและการคำนวณที่มีความแม่นยำสูงของกระบวนการทางกายภาพและเคมีเหล่านี้เป็นหัวข้อที่ได้รับความสนใจในการวิจัยทั้งในและต่างประเทศมาโดยตลอด

กระบวนการสร้างละออง การระเหย การผสม และการเผาไหม้ในห้องเผาไหม้จะพัฒนาและวิวัฒนาการในสภาพแวดล้อมการไหลที่ปั่นป่วน ดังนั้นการไหลจึงเป็นพื้นฐานสำหรับการจำลองประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์ของห้องเผาไหม้ ลักษณะพื้นฐานของความปั่นป่วนคือพารามิเตอร์การไหลจะแสดงการเต้นแบบสุ่มเนื่องจากกระบวนการพาความร้อนแบบไม่เชิงเส้น ความปั่นป่วนประกอบด้วยโครงสร้างกระแสน้ำวนจำนวนมาก ช่วงของกระแสน้ำวนที่แตกต่างกันในความยาวและมาตราส่วนเวลาจะกว้างมาก และเมื่อหมายเลขเรย์โนลด์เพิ่มขึ้น ช่วงระหว่างมาตราส่วนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ตามสัดส่วนของโครงสร้างกระแสน้ำวนที่ปั่นป่วนซึ่งได้รับการแก้ไขโดยตรง การจำลองความปั่นป่วน วิธีการแบ่งออกเป็นการจำลองเชิงตัวเลขโดยตรง (DNS), เรโนลด์ส-เฉลี่ยนาเวียร์สโตกส์ (RANS), การจำลองกระแสน้ำวนขนาดใหญ่ (LES) และวิธีการจำลองการปั่นป่วนแบบผสม วิธีการ RANS ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในงานวิศวกรรม แก้ปัญหาค่าเฉลี่ยของการปั่นป่วนและใช้แบบจำลองเพื่อจำลองข้อมูลการสั่นของการปั่นป่วนทั้งหมด ปริมาณการคำนวณนั้นน้อย แต่ความแม่นยำนั้นต่ำ สำหรับกระบวนการหมุนวนที่รุนแรงและการไหลไม่คงที่ในห้องเผาไหม้ RANS ไม่สามารถตอบสนองความต้องการของการออกแบบที่ประณีตได้ Pitsch ชี้ให้เห็นว่าความซับซ้อนในการคำนวณของ LES อยู่ระหว่าง RANS และ DNS และปัจจุบันใช้สำหรับการคำนวณการเผาไหม้แบบปั่นป่วนในพื้นที่ที่ไม่มีข้อจำกัดด้วยหมายเลขเรย์โนลด์ระดับกลางและต่ำ เนื่องจากความปั่นป่วนขนาดเล็กในบริเวณใกล้ผนังของห้องเผาไหม้และการไหลมีค่าเรย์โนลด์สนัมเบอร์สูง จำนวนกริดที่จำเป็นสำหรับการคำนวณ LES ของหัวเดียวของห้องเผาไหม้เพียงอย่างเดียวจึงอยู่ที่หลายร้อยล้านถึงพันล้าน การใช้ทรัพยากรในการคำนวณที่สูงดังกล่าวจำกัดการใช้ LES อย่างแพร่หลายในการจำลองห้องเผาไหม้

การจัดทำแบบจำลองและวิธีการคำนวณที่มีความแม่นยำสูงโดยอิงตามกรอบงาน Very Large Eddy Simulation (VLES) และ Hybrid RANS-LES Method ถือเป็นแนวโน้มสำคัญในการจำลองเชิงตัวเลข วิธี VLES ที่พัฒนาโดย Han et al. ช่วยแก้ปัญหาประสิทธิภาพการคำนวณต่ำที่เกิดจากการกรองมาตราส่วนกริดและแก้ไขข้อจำกัดการจับคู่มาตราส่วนความปั่นป่วนใน LES แบบดั้งเดิม และสร้างแบบจำลองการเชื่อมโยงระหว่างลักษณะความปั่นป่วนหลายมาตราส่วน ลักษณะการเปลี่ยนแปลงชั่วคราว และความละเอียดของกริดได้ VLES ปรับอัตราส่วนระหว่างโซลูชันความปั่นป่วนและการสร้างแบบจำลองตามลักษณะตามเวลาจริงของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างกระแสน้ำวนอย่างปรับได้ ลดต้นทุนการคำนวณได้อย่างมากในขณะที่รับประกันความถูกต้องของการคำนวณ

อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับ LES แบบดั้งเดิม ทฤษฎีและคุณลักษณะของ VLES ไม่ได้รับการศึกษาวิจัยและนำมาใช้กันอย่างกว้างขวาง เอกสารฉบับนี้แนะนำทฤษฎีการสร้างแบบจำลองของ VLES และผลกระทบจากการประยุกต์ใช้ในสถานการณ์ทางกายภาพต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับห้องเผาไหม้อย่างเป็นระบบ เพื่อส่งเสริมการประยุกต์ใช้ VLES ในวงกว้างในสาขาการจำลองห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์เครื่องบิน

วิธีการจำลองกระแสน้ำวนขนาดใหญ่

อิทธิพลของวิธีการจำลองความปั่นป่วนต่อการใช้ทรัพยากรคอมพิวเตอร์และแบบจำลองแสดงไว้ในรูปที่ 1 วิธีการ RANS, LES และ VLES ทั้งหมดสามารถจำลองการไหลได้โดยใช้แบบจำลองความปั่นป่วน ควรสังเกตว่าคำจำกัดความที่ชัดเจนที่สุดเกี่ยวกับ VLES นั้นได้มาจาก Pope ซึ่งหมายถึง "มาตราส่วนของกริดการคำนวณนั้นหยาบเกินไป ทำให้พลังงานจลน์ของความปั่นป่วนที่แก้ไขได้โดยตรงมีค่าน้อยกว่า 80% ของพลังงานจลน์ของความปั่นป่วนทั้งหมด" ในขณะเดียวกัน ความหมายของ LES ที่ Pope [6] ให้ไว้ก็คือ "กริดการคำนวณนั้นละเอียดมาก ทำให้พลังงานจลน์ของความปั่นป่วนที่แก้ไขได้โดยตรงมีค่ามากกว่า 80% ของพลังงานจลน์ของความปั่นป่วนทั้งหมด" อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่า VLES ที่แนะนำในบทความนี้เป็นวิธีการคำนวณแบบใหม่ที่ได้รับการปรับปรุงและพัฒนาบนพื้นฐานของวิธีการก่อนหน้านี้ แม้ว่าชื่อจะเหมือนกัน แต่โดยพื้นฐานแล้ว วิธี VLES ใหม่นั้นแตกต่างจากวิธี VLES ที่ Pope กำหนดไว้ จากภาพจะเห็นได้ว่าโหมดความปั่นป่วนแบบเดิมคือ RANS, URANS, RANS/LES แบบไฮบริด, LES และ DNS ตามลำดับความแม่นยำในการคำนวณ ภายใต้กรอบงานของโมเดลใหม่ โหมดความปั่นป่วนจะถูกแบ่งออกเป็น RANS, VLES และ DNS ตามลำดับความแม่นยำในการคำนวณ นั่นคือ วิธี VLES จะทำให้โหมดความปั่นป่วนแบบเดิมหลายๆ โหมดรวมกันได้ และโมเดลต่างๆ จะปรับเปลี่ยนและแปลงได้อย่างราบรื่นตามลักษณะเฉพาะในพื้นที่ในการคำนวณจริง

การจำลองกระบวนการทางกายภาพทั่วไปในห้องเผาไหม้

การจำลองกระแสน้ำวนขนาดใหญ่ของการไหลวนที่รุนแรง

ห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์อากาศยานโดยทั่วไปจะมีรูปแบบการจัดระเบียบของสนามการไหล เช่น การหมุนวนหลายขั้นตอนและการหมุนวนอย่างรุนแรง การไหลแบบหมุนวนเป็นรูปแบบการไหลพื้นฐานที่สุดในห้องเผาไหม้ เนื่องจากการหมุนวนมีอิทธิพลเหนือทั้งทิศทางการไหลและทิศทางสัมผัส การสั่นแบบปั่นป่วนของการหมุนวนจึงมีแอนไอโซทรอปิกที่แข็งแกร่งกว่าการไหลของท่อ การไหลของช่อง และการไหลของไอพ่นแบบดั้งเดิม ดังนั้น การจำลองแบบตัวเลขของการหมุนวนจึงเป็นความท้าทายครั้งใหญ่สำหรับวิธีการจำลองแบบปั่นป่วน Xia และคณะใช้หลักการ VLES เพื่อคำนวณตัวอย่างการไหลแบบหมุนวนที่รุนแรงแบบคลาสสิกในท่อ Dellenback และคณะ [14] ได้ทำการทดลองสนามการไหลกับตัวอย่างนี้และมีข้อมูลการทดลองโดยละเอียด หมายเลขเรย์โนลด์ของการไหลในตัวอย่างที่คำนวณได้คือ 1.0×105 (ตามเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อกลม) และค่าการหมุนวนคือ 1.23 มีการใช้กริดโครงสร้างสองชุดในการคำนวณ จำนวนกริดแบบเบาบางทั้งหมด (M1) อยู่ที่ประมาณ 900,000 และจำนวนกริดเข้ารหัสทั้งหมด (M2) อยู่ที่ประมาณ 5.1 ล้าน ผลลัพธ์โมเมนต์ทางสถิติที่ได้จากการคำนวณจะถูกนำไปเปรียบเทียบกับผลการทดลองเพิ่มเติมเพื่อยืนยันความถูกต้องของการคำนวณของวิธี VLES

รูปที่ 4 แสดงการเปรียบเทียบผลการคำนวณจากวิธีการต่าง ๆ และผลการทดลองการกระจายแบบรัศมีของความเร็วเฉลี่ยรอบวงและความเร็วการเต้นเป็นจังหวะที่ตำแหน่งปลายน้ำต่าง ๆ ภายใต้กระแสน้ำวนที่รุนแรง ในรูป พิกัดแนวนอนและแนวตั้งเป็นระยะทางไร้มิติและความเร็วไร้มิติตามลำดับ โดยที่ D1 คือเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อกลมทางเข้า และ Uin คือความเร็วเฉลี่ยของทางเข้า จากรูปจะเห็นว่าสนามการไหลแสดงให้เห็นกระแสน้ำวนแบบแรงคล้ายแรงที่ค่อยๆ เปลี่ยนเป็นกระแสน้ำวนวัตถุแข็งตัวเดียว เมื่อเปรียบเทียบผลการคำนวณและการทดลอง พบว่าวิธี VLES มีความแม่นยำในการคำนวณสูงสำหรับการทำนายความเร็วรอบวงของกระแสน้ำวนที่รุนแรง ซึ่งสอดคล้องกับการกระจายการวัดการทดลอง วิธี RANS แบบดั้งเดิมนั้นมีการเบี่ยงเบนที่มากในการคำนวณการไหลแบบหมุนวนและไม่สามารถทำนายวิวัฒนาการเชิงพื้นที่ของสนามการไหลแบบหมุนวนและการสั่นแบบปั่นป่วนได้อย่างถูกต้อง เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว วิธี VLES นั้นมีความแม่นยำสูงมากในการทำนายสนามความเร็วเฉลี่ย สนามความเร็วการสั่นปลิว และวิวัฒนาการเชิงพื้นที่ภายใต้การไหลแบบหมุนวนที่รุนแรงและซับซ้อน และยังคงรับประกันความแม่นยำในการคำนวณที่สูงได้แม้ในความละเอียดกริดที่ค่อนข้างเบาบาง สำหรับการคาดการณ์ความเร็วเฉลี่ยตามเส้นรอบวง ผลการคำนวณของวิธี VLES นั้นสอดคล้องกันโดยพื้นฐานในความละเอียดกริดแบบเบาบางและแบบหนาแน่นสองชุด

การจำลองการเผาไหม้แบบปั่นป่วนด้วยกระแสน้ำวนขนาดใหญ่

เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ของวิธี VLES ในการคาดการณ์ปัญหาการเผาไหม้แบบปั่นป่วน [15-16] จึงได้พัฒนาแบบจำลองการเผาไหม้แบบปั่นป่วนที่อาศัยวิธี VLES ร่วมกับท่อร่วมที่สร้างโดยเปลวไฟขนาดเล็ก (FGM) แนวคิดพื้นฐานคือสมมติว่าเปลวไฟแบบปั่นป่วนมีโครงสร้างเปลวไฟแบบลามินาร์มิติเดียวในพื้นที่ และพื้นผิวเปลวไฟแบบปั่นป่วนคือค่าเฉลี่ยของชุดพื้นผิวเปลวไฟแบบลามินาร์ ดังนั้น จึงสามารถแมปพื้นที่ส่วนประกอบที่มีมิติสูงไปยังรูปแบบการไหลที่มีมิติต่ำซึ่งประกอบด้วยตัวแปรลักษณะเฉพาะหลายตัว (เศษส่วนของส่วนผสม ตัวแปรความคืบหน้าของปฏิกิริยา เป็นต้น) ภายใต้เงื่อนไขของการพิจารณาถึงกลไกปฏิกิริยาโดยละเอียด จำนวนสมการการขนส่งที่ต้องแก้จะลดลงอย่างมาก จึงช่วยลดต้นทุนการคำนวณได้อย่างมาก

กระบวนการใช้งานเฉพาะคือการสร้างตารางข้อมูลแบบลามินาร์ FGM โดยอิงตามตัวแปรเศษส่วนของส่วนผสมและความคืบหน้าของปฏิกิริยา พิจารณาปฏิสัมพันธ์ระหว่างการเผาไหม้แบบปั่นป่วนโดยถือว่าวิธีฟังก์ชันความหนาแน่นของความน่าจะเป็นในการรวมตารางข้อมูลแบบลามินาร์ และจึงได้ตารางข้อมูลแบบปั่นป่วน ในการคำนวณเชิงตัวเลข สมการการขนส่งของเศษส่วนของส่วนผสม ตัวแปรความคืบหน้าของปฏิกิริยา และความแปรปรวนที่สอดคล้องกันจะถูกแก้ไข และข้อมูลของสนามการเผาไหม้จะได้รับโดยการสอบถามตารางข้อมูลแบบปั่นป่วน

แบบจำลองการเผาไหม้แบบปั่นป่วนที่อิงตาม VLES และ FGM ถูกนำมาใช้ในการคำนวณเชิงตัวเลขเกี่ยวกับเปลวไฟเจ็ตปั่นป่วนของมีเทน/อากาศ (เปลวไฟ D) ที่วัดโดยห้องปฏิบัติการ Sandia ในสหรัฐอเมริกา และได้ทำการเปรียบเทียบเชิงปริมาณกับข้อมูลการวัดเชิงทดลอง วัสดุเชื้อเพลิงของตัวอย่างเปลวไฟ Sandia D (หมายเลขเรย์โนลด์คือ 22400) เป็นส่วนผสมที่สมบูรณ์ของมีเทนและอากาศ โดยมีอัตราส่วนปริมาตร 1:3 ความเร็วทางเข้าเชื้อเพลิงอยู่ที่ประมาณ 49.9 ม./วินาที และความเร็วการปลุกอยู่ที่ประมาณ 11.4 ม./วินาที เปลวไฟหน้าที่เป็นส่วนผสมของมีเทนที่เผาไหม้และอากาศ และวัสดุการปลุกคืออากาศบริสุทธิ์ การคำนวณใช้กริดที่มีโครงสร้าง และจำนวนกริดทั้งหมดอยู่ที่ประมาณ 1.9 ล้านกริด

การกระจายของเศษส่วนมวลเฉลี่ยของส่วนประกอบต่างๆ ตามแกนแสดงไว้ในรูปที่ 5 พิกัดแนวนอนและแนวตั้งในรูปคือระยะทางไร้มิติ (D2 คือเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อไอพ่นทางเข้า) และเศษส่วนมวลไร้มิติตามลำดับ จากรูปจะเห็นได้ว่าการทำนายส่วนประกอบหลักของกระบวนการเผาไหม้โดยใช้วิธี VLES นั้นสอดคล้องกับผลการทดลองโดยทั่วไป การกระจายแบบกระจัดกระจายของอุณหภูมิในตำแหน่งปลายน้ำต่างๆ ในพื้นที่เศษส่วนส่วนผสมแสดงไว้ในรูปที่ 6 จะเห็นได้จากรูปว่าแนวโน้มการกระจายแบบกระจัดกระจายที่ทำนายโดยวิธี VLES นั้นสอดคล้องกับผลการทดลองโดยพื้นฐาน และมีเพียงค่าอุณหภูมิสุดขั้วที่คำนวณได้เท่านั้นที่สูงกว่าค่าการทดลองเล็กน้อย การกระจายของฟังก์ชันควบคุมความปั่นป่วนทันที อุณหภูมิ และความละเอียดที่คำนวณโดย VLES แสดงไว้ในรูปที่ 7 โดยเส้นทึบถูกกำหนดให้เป็น Zst=0.351 จากรูปจะเห็นได้ว่าบริเวณแกนเจ็ทแสดงการเต้นของกระแสน้ำที่ปั่นป่วนอย่างรุนแรง และเมื่อสนามการไหลพัฒนาไปตามกระแสน้ำ ขนาดของโครงสร้างกระแสน้ำจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 7 (b) และ (c) ในพื้นที่ปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่ ฟังก์ชันควบคุมความละเอียดจะอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 ซึ่งบ่งชี้ว่าความละเอียดของกริดท้องถิ่นสามารถจับภาพการปั่นป่วนขนาดใหญ่ได้ และจำลองการปั่นป่วนขนาดเล็กได้ผ่านแบบจำลองเท่านั้น ในเวลานี้ VLES ทำหน้าที่เป็นโหมดโซลูชันการจำลองกระแสน้ำวนขนาดใหญ่โดยประมาณ ในชั้นเฉือนของเจ็ทและขอบด้านนอกของเปลวไฟที่อยู่ปลายน้ำ ฟังก์ชันควบคุมความละเอียดจะใกล้เคียงกับ 1 ซึ่งบ่งชี้ว่ามาตราส่วนของตัวกรองที่ถูกตัดทอนของกริดการคำนวณนั้นใหญ่กว่ามาตราส่วนของการปั่นป่วนในท้องถิ่น ในเวลานี้ VLES ทำหน้าที่เป็นโหมดโซลูชันค่าเฉลี่ยเรย์โนลด์ที่ไม่คงที่ โดยสรุป จะเห็นได้ว่าวิธี VLES สามารถตระหนักถึงการเปลี่ยนแปลงโหมดโซลูชันการปั่นป่วนหลายโหมดตามลักษณะเรียลไทม์ของวิวัฒนาการโครงสร้างกระแสน้ำวน และสามารถคาดการณ์กระบวนการเผาไหม้ที่ไม่คงที่ในเปลวไฟที่ปั่นป่วนได้อย่างแม่นยำ

การจำลองกระแสน้ำวนขนาดใหญ่ของกระบวนการสร้างอะตอมที่สมบูรณ์

เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ที่ใช้ในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์เครื่องบินเป็นเชื้อเพลิงเหลว เชื้อเพลิงเหลวจะเข้าสู่ห้องเผาไหม้และผ่านกระบวนการสร้างละอองหลักและกระบวนการสร้างละอองรอง การจำลองกระบวนการสร้างละอองเชื้อเพลิงเหลวทั้งหมดนั้นมีปัญหาหลายประการ เช่น การจับการกำหนดค่าอินเทอร์เฟซโทโพโลยีสองเฟสของก๊าซและของเหลว การเสียรูปและการแตกของคอลัมน์ของเหลว วิวัฒนาการการแยกตัวของแถบของเหลวและเส้นใยของเหลวเป็นละออง และปฏิสัมพันธ์ระหว่างการไหลปั่นป่วนและละออง Huang Ziwei [19] พัฒนาแบบจำลองการจำลองกระบวนการสร้างละอองที่สมบูรณ์โดยอาศัยวิธี VLES ร่วมกับวิธีการคำนวณการสร้างละอองไฮบริด VOFDPM ทำให้สามารถจำลองกระบวนการสร้างละอองเชื้อเพลิงจากของเหลวต่อเนื่องเป็นละอองแยกจากกันได้แบบเชิงตัวเลขทั้งกระบวนการ

แบบจำลองการจำลองกระบวนการอะตอมไมเซชันที่พัฒนาขึ้นใหม่ถูกนำมาใช้ในการคำนวณเชิงตัวเลขที่มีความแม่นยำสูงของกระบวนการอะตอมไมเซชันคอลัมน์ของเหลวแบบไหลด้านข้างแบบคลาสสิก และได้มีการเปรียบเทียบอย่างละเอียดกับผลการทดลองในเอกสารเผยแพร่แบบเปิด [20] และผลการคำนวณการจำลองกระแสน้ำวนขนาดใหญ่ [21] ในตัวอย่างการคำนวณ เฟสของก๊าซคืออากาศด้วยความเร็ว 77.89 และ 110.0 ม./วินาที ตามลำดับ และเฟสของของเหลวคือน้ำเหลวด้วยความเร็ว 8.6 ม./วินาที หมายเลขเวเบอร์ที่สอดคล้องกันคือ 100 และ 200 ตามลำดับ เพื่อจำลองกระบวนการแตกตัวทุติยภูมิได้ดีขึ้น แบบจำลองการแยกตัวจึงใช้แบบจำลองเคลวิน-เฮล์มโฮลทซ์และเรย์ลี-เทย์เลอร์ (KHRT)

กระบวนการอะตอมไมเซชันที่สมบูรณ์ซึ่งทำนายโดย VLES ภายใต้เงื่อนไขของเวเบอร์หมายเลข 100 แสดงอยู่ในรูปที่ 8 ดังที่เห็นได้จากรูป แผ่นบางๆ ของคอลัมน์ของเหลวจะก่อตัวขึ้นในบริเวณเริ่มต้น จากนั้นคอลัมน์ของเหลวจะแตกออกเป็นแถบของเหลวและเส้นใยของเหลว และแตกออกเป็นหยดของเหลวภายใต้การกระทำของแรงอากาศพลศาสตร์ และหยดของเหลวจะแตกออกเป็นหยดของเหลวที่เล็กลงอีกผ่านการแตกตัวครั้งที่สอง ความเร็วกระแสน้ำและการกระจายของความปั่นป่วนตามช่วงกว้างที่คำนวณโดย VLES ภายใต้เงื่อนไขของเวเบอร์หมายเลข 100 แสดงอยู่ในรูปที่ 9 ดังที่เห็นได้จากรูป มีโซนการหมุนเวียนความเร็วต่ำทั่วไปที่ด้านใต้ลมของคอลัมน์ของเหลว จากการกระจายความปั่นป่วนทันทีจะพบว่าด้านใต้ลมของคอลัมน์ของเหลวแสดงโครงสร้างกระแสน้ำวนที่รุนแรง และการเคลื่อนไหวปั่นป่วนอย่างรุนแรงในโซนการหมุนเวียนความเร็วต่ำมีส่วนทำให้แผ่นคอลัมน์ของเหลวแตกและเกิดหยดของเหลว

อัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางของเจ็ทเริ่มต้นต่อขนาดการไหลขั้นต่ำของเจ็ทของเหลวเมื่อคอลัมน์ของเหลวเริ่มแตกตัวภายใต้หมายเลขเวเบอร์ที่แตกต่างกันแสดงอยู่ในรูปที่ 10 ในรูป di คือขนาดการไหลขั้นต่ำของเจ็ทของเหลวเมื่อคอลัมน์ของเหลวเริ่มแตกตัว และ D3 คือเส้นผ่านศูนย์กลางของเจ็ทของเหลวเริ่มต้น จากรูปจะเห็นได้ว่าผลการคำนวณ VLES สอดคล้องกับผลการทดลอง ซึ่งดีกว่าผลการคำนวณการจำลองกระแสน้ำวนขนาดใหญ่ในเอกสาร [21]

การจำลองการไม่เสถียรของการเผาไหม้แบบกระแสน้ำวนขนาดใหญ่

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการปล่อยมลพิษต่ำ ห้องเผาไหม้ของเครื่องบินพลเรือนมักออกแบบด้วยการเผาไหม้แบบผสมล่วงหน้าหรือผสมล่วงหน้าบางส่วน อย่างไรก็ตาม การเผาไหม้แบบผสมล่วงหน้าแบบผสมล่วงหน้าจะมีเสถียรภาพต่ำและมีแนวโน้มที่จะกระตุ้นโหมดการเผาไหม้แบบเทอร์โมอะคูสติกซึ่งนำไปสู่ความไม่เสถียรของการเผาไหม้ ความไม่เสถียรของการเผาไหม้นั้นทำลายล้างได้อย่างมากและอาจมาพร้อมกับปัญหาต่างๆ เช่น การย้อนกลับและการเสียรูปของของแข็ง ซึ่งเป็นปัญหาสำคัญที่การออกแบบห้องเผาไหม้ต้องเผชิญ

การคำนวณเชิงตัวเลขของความไม่เสถียรของการเผาไหม้สามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ วิธีการแยกส่วนและวิธีการจับคู่โดยตรง วิธีการทำนายความไม่เสถียรของการเผาไหม้แบบแยกส่วนจะแยกการเผาไหม้ที่ไม่คงที่และโซลูชันอะคูสติก การเผาไหม้ที่ไม่คงที่ต้องใช้ตัวอย่างการคำนวณเชิงตัวเลขจำนวนมากเพื่อสร้างฟังก์ชันคำอธิบายเปลวไฟที่เชื่อถือได้ หากใช้วิธีการคำนวณจำลองกระแสน้ำวนขนาดใหญ่ การใช้ทรัพยากรคอมพิวเตอร์จะมากเกินไป วิธีการคำนวณการจับคู่โดยตรงนั้นอิงตามวิธีการแก้ปัญหาที่บีบอัดได้ และได้รับผลลัพธ์ของความไม่เสถียรของการเผาไหม้โดยตรงผ่านการคำนวณที่ไม่คงที่ที่มีความแม่นยำสูง นั่นคือ กระบวนการคำนวณการจับคู่ของการเผาไหม้ที่ไม่คงที่และอะคูสติกภายใต้เงื่อนไขการทำงานที่กำหนดจะเสร็จสมบูรณ์ในครั้งเดียวภายในกรอบการคำนวณเดียวกัน

ในการศึกษาการจำลองเชิงตัวเลขของการแยกตัวของความไม่เสถียรของการเผาไหม้ Huang และคณะ [27] ได้พัฒนาแบบจำลองการคำนวณความไม่เสถียรของการเผาไหม้โดยอาศัยวิธี VLES ร่วมกับวิธีการคำนวณเปลวไฟที่หนาขึ้น และสามารถทำนายกระบวนการเผาไหม้ที่ไม่คงที่ภายใต้การกระตุ้นด้วยเสียงได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างการคำนวณคือเปลวไฟเอทิลีน/อากาศแบบคงที่ที่ผสมไว้ล่วงหน้าอย่างสมบูรณ์ซึ่งพัฒนาโดยมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ โดยมีอัตราส่วนสมมูลเท่ากับ 0.55 และหมายเลขเรย์โนลด์ประมาณ 17000 การเปรียบเทียบระหว่างผลการคำนวณ VLES กับผลการทดลองของลักษณะไดนามิกของเปลวไฟที่ไม่คงที่ภายใต้การกระตุ้นด้วยเสียงแสดงอยู่ในรูปที่ 12 จากรูปจะเห็นได้ว่าในระหว่างกระบวนการกระตุ้นทางเข้า เปลวไฟจะกลิ้งไปที่ชั้นเฉือนด้านในและด้านนอกและพัฒนาเป็นคู่กระแสน้ำวนที่หมุนสวนทางกัน ในกระบวนการนี้ วิวัฒนาการของโปรไฟล์เปลวไฟรูปเห็ดยังคงพัฒนาต่อไปพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของมุมเฟส ผลการคำนวณ VLES สามารถจำลองลักษณะการวิวัฒนาการของเปลวไฟที่สังเกตได้ในงานทดลองได้เป็นอย่างดี รูปที่ 160 แสดงการเปรียบเทียบแอมพลิจูดและเฟสต่าง ๆ ของการตอบสนองอัตราการปลดปล่อยความร้อนภายใต้การกระตุ้นเสียง 13 เฮิรตซ์ที่ได้จากวิธีการคำนวณและการวัดในการทดลองต่าง ๆ ในรูป Q' และ Q͂ คือการปล่อยความร้อนแบบเป็นจังหวะและการปล่อยความร้อนเฉลี่ยของการเผาไหม้ตามลำดับ A คือแอมพลิจูดของการกระตุ้นอะคูสติกแบบไซน์ และพิกัดของรูปที่ 13 (b) คือความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณการปล่อยความร้อนชั่วคราวของการเผาไหม้ภายใต้การกระตุ้นอะคูสติกและสัญญาณการกระตุ้นความเร็วทางเข้า ดังที่เห็นได้จากรูป ความแม่นยำในการทำนายของวิธี VLES นั้นเทียบได้กับความแม่นยำของการจำลองกระแสน้ำวนขนาดใหญ่ [28] และทั้งสองอย่างสอดคล้องกับค่าการทดลองเป็นอย่างดี แม้ว่าวิธี RANS ที่ไม่คงที่สามารถทำนายแนวโน้มของการตอบสนองที่ไม่เป็นเชิงเส้นได้ แต่ผลเชิงปริมาณที่คำนวณได้นั้นเบี่ยงเบนไปจากค่าการทดลองอย่างมาก สำหรับผลลัพธ์ความแตกต่างของเฟส (รูปที่ 13 (b)) แนวโน้มของความแตกต่างของเฟสที่ทำนายโดยวิธี VLES ด้วยแอมพลิจูดของการรบกวนนั้นสอดคล้องกับผลการทดลองโดยพื้นฐาน ในขณะที่ผลลัพธ์การจำลองกระแสน้ำวนขนาดใหญ่ไม่สามารถทำนายแนวโน้มข้างต้นได้ดี