ความก้าวหน้าในการวิจัยเกี่ยวกับสมรรถนะทางอากาศพลศาสตร์ของห้องเผาไหม้ในเครื่องยนต์เครื่องบินโดยใช้วิธีการจำลองแบบ Large Eddy Simulation

ความก้าวหน้าในการวิจัยเกี่ยวกับสมรรถนะทางอากาศพลศาสตร์ของห้องเผาไหม้ในเครื่องยนต์เครื่องบินโดยใช้วิธีการจำลองแบบ Large Eddy Simulation

ห้องเผาไหม้เป็นหนึ่งในส่วนประกอบหลักของเครื่องยนต์อากาศยาน และสมรรถนะทางอากาศพลศาสตร์ของห้องเผาไหม้มีบทบาทสำคัญต่อประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ทั้งหมด เพื่อให้ตอบสนองต่อข้อกำหนดทางเทคนิคที่เข้มงวดมากขึ้นเรื่อย ๆ ของเครื่องยนต์สำหรับห้องเผาไหม้ รูปแบบการจัดระเบียบการเผาไหม้และการไหลภายในห้องเผาไหม้จึงกลายมาซับซ้อนมากขึ้น การชะลอความเร็วและเพิ่มแรงดันในกระบวนการของดิฟฟิวเซอร์อาจเผชิญกับการแยกตัวของการไหลภายใต้แรงดันเชิงลบสูง; การไหลของอากาศผ่านอุปกรณ์วนหลายขั้นตอนเพื่อสร้างโครงสร้างวนขนาดใหญ่ ซึ่งในทางหนึ่งช่วยส่งเสริมการทำละลายและการระเหยของเชื้อเพลิงเหลว และสร้างสารผสมที่กระเพื่อมไม่คงที่กับเชื้อเพลิง ในทางกลับกันก็สร้างเปลวไฟที่หยุดนิ่งในเขตหมุนเวียนทางอากาศพลศาสตร์ เจ็ตหลายสายของรูเปิดการเผาไหม้/ผสมหลักปฏิสัมพันธ์กับการไหลขวางในท่อเปลวไฟเพื่อสร้างคู่วนที่หมุนสวนทาง ซึ่งมีผลสำคัญต่อการผสมแบบเทอร์บูลเลนต์ บนพื้นฐานของการไหล กระบวนการทางกายภาพเคมีหลายขนาด เช่น การทำละลายและการระเหย การผสม การทำปฏิกิริยาเคมี และปฏิสัมพันธ์ระหว่างเทอร์บูลเลนซ์กับเปลวไฟ มีความเกี่ยวพันกันอย่างแน่นแฟ้น ซึ่งร่วมกันกำหนดลักษณะอากาศพลศาสตร์ของห้องเผาไหม้ การจำลองและการคำนวณที่แม่นยำสูงของกระบวนการทางกายภาพเคมีเหล่านี้ได้เป็นประเด็นวิจัยที่ได้รับความสนใจทั้งในประเทศและต่างประเทศเสมอมา

กระบวนการของการทำให้เป็นละออง การระเหย การผสม และการเผาไหม้ในห้องเผาไหม้พัฒนาและวิวัฒนาการในสภาพแวดล้อมของกระแสไหลที่ไม่เรียบเสมอ ดังนั้นการไหลคือรากฐานสำหรับการจำลองสมรรถนะทางอากาศพลศาสตร์ของห้องเผาไหม้ ลักษณะพื้นฐานของความปั่นป่วนคือพารามิเตอร์การไหลแสดงการกระเพื่อมแบบสุ่มเนื่องจากกระบวนการคอนเวกชันที่ไม่เชิงเส้น ความปั่นป่วนประกอบด้วยโครงสร้างวนหลายอย่าง ช่วงเวลาและความยาวของเกลียวต่างๆ มีขนาดใหญ่มาก และเมื่อจำนวนเรย์โนลด์เพิ่มขึ้น ช่องว่างระหว่างขนาดจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ตามสัดส่วนของโครงสร้างวนความปั่นป่วนที่ถูกแก้ไขโดยตรง การจำลองความปั่นป่วน  วิธีการต่างๆ ถูกแบ่งออกเป็นการจำลองตัวเลขโดยตรง (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), การจำลองคลื่นขนาดใหญ่ (LES) และวิธีการจำลองความผันผวนแบบผสม RANS ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในงานวิศวกรรม จะแก้ปัญหาสนามเฉลี่ยของความผันผวนและใช้แบบจำลองเพื่อจำลองข้อมูลการสั่นสะเทือนทั้งหมด การคำนวณมีปริมาณน้อย แต่ความแม่นยำต่ำ ในกระบวนการไหลเวียนแรงและไม่คงที่ในห้องเผาไหม้ RANS ไม่สามารถตอบสนองความต้องการของการออกแบบเชิงละเอียดได้ Pitsch ชี้ให้เห็นว่าความซับซ้อนในการคำนวณของ LES อยู่ระหว่าง RANS และ DNS และปัจจุบันใช้สำหรับการคำนวณการเผาไหม้แบบความผันผวนในพื้นที่ที่ไม่มีข้อจำกัดด้วยตัวเลขเรย์โนลด์ระดับกลางถึงต่ำ เนื่องจากขนาดเล็กของความผันผวนในบริเวณใกล้ผนังของห้องเผาไหม้และการเคลื่อนที่ด้วยตัวเลขเรย์โนลด์สูง จำนวนตารางที่จำเป็นสำหรับการคำนวณ LES เพียงแค่หัวเดียวของห้องเผาไหม้จะอยู่ที่ร้อยล้านถึงพันล้าน การใช้ทรัพยากรการคำนวณในระดับสูงเช่นนี้ทำให้การใช้งาน LES ในการจำลองห้องเผาไหม้มีข้อจำกัด

การสร้างแบบจำลองและการวิเคราะห์ด้วยความแม่นยำสูงบนพื้นฐานของ Very Large Eddy Simulation (VLES) และ Hybrid RANS-LES Method เป็นแนวโน้มที่สำคัญในงานการจำลองเชิงตัวเลข วิธี VLES ที่พัฒนาโดย Han และคณะแก้ปัญหาประสิทธิภาพในการคำนวณต่ำซึ่งเกิดจากข้อจำกัดของการจับคู่ขนาดกริดกับการคำนวณลักษณะพลุกพล่านใน LES แบบดั้งเดิม และทำให้เกิดการสร้างแบบจำลองเชิงคูปองระหว่างลักษณะหลายขนาดของพลุกพล่าน การวิวัฒน์ชั่วคราว และความละเอียดของกริด นอกจากนี้ VLES ยังปรับอัตราส่วนระหว่างการคำนวณพลุกพล่านและการสร้างแบบจำลองตามลักษณะการวิวัฒน์ของโครงสร้างวนจรในเวลาจริง ลดต้นทุนการคำนวณอย่างมากในขณะที่ยังคงรักษาความแม่นยำของการคำนวณ

อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับLESแบบดั้งเดิม ทฤษฎีและลักษณะเฉพาะของ VLES ยังไม่ได้รับการศึกษาและใช้งานอย่างแพร่หลาย เอกสารนี้นำเสนอทฤษฎีการสร้างแบบจำลองของ VLES และผลลัพธ์ของการประยุกต์ใช้ในสถานการณ์ทางฟิสิกส์ต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับห้องเผาไหม้ โดยส่งเสริมการใช้งาน VLES ในระดับใหญ่ในด้านการจำลองห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์อากาศยาน

วิธีการจำลองการเคลื่อนที่ของกระแสน้ำวนขนาดใหญ่

ผลกระทบของวิธีการจำลองความอลวนต่อการใช้ทรัพยากรในการคำนวณและการจำลองแบบแสดงให้เห็นในรูปที่ 1 RANS, LES และ VLES ทั้งหมดสามารถทำนายการไหลได้ผ่านการจำลองความอลวน ควรสังเกตว่าบทนิยามที่ชัดเจนที่สุดของ VLES ถูกกำหนดโดย Pope โดยหมายถึง "ขนาดตารางคำนวณหยาบเกินไปจนพลังงานจลน์ความอลวนที่แก้ไขโดยตรงมีค่าน้อยกว่า 80% ของพลังงานจลน์ความอลวนทั้งหมด" นอกจากนี้ ความหมายของ LES ที่ Pope [6] กำหนดไว้คือ "ขนาดตารางคำนวณละเอียดมากจนพลังงานจลน์ความอลวนที่แก้ไขโดยตรงมีค่ามากกว่า 80% ของพลังงานจลน์ความอลวนทั้งหมด" อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่า VLES ที่กล่าวถึงในบทความนี้เป็นวิธีการคำนวณใหม่ที่ได้รับการปรับปรุงและพัฒนาจากวิธีการเดิม แม้ว่าชื่อจะเหมือนกัน แต่วิธี VLES ใหม่นี้แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจาก VLES ที่ Pope กำหนด จากกราฟจะเห็นได้ว่าโหมดความอลวนแบบดั้งเดิมเรียงตามความแม่นยำของการคำนวณคือ RANS, URANS, hybrid RANS/LES, LES และ DNS ในขณะที่ภายใต้กรอบแบบจำลองใหม่ โหมดความอลวนถูกแบ่งออกเป็น RANS, VLES และ DNS เรียงตามความแม่นยำของการคำนวณ ซึ่งหมายความว่าวิธี VLES สามารถรวมโหมดความอลวนแบบดั้งเดิมหลายแบบเข้าด้วยกัน และแบบจำลองต่าง ๆ จะเปลี่ยนแปลงและปรับตัวอย่างราบรื่นตามลักษณะเฉพาะท้องถิ่นในกระบวนการคำนวณจริง

การจำลองกระบวนการทางกายภาพทั่วไปในห้องเผาไหม้

การจำลองก๊าซวนขนาดใหญ่มากของกระแสไหลแบบก๊าซวนแรง

ห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์อากาศยานมักใช้รูปแบบของการจัดระเบียบสนามกระแสน้ำ เช่น การก๊าซวนหลายขั้นและก๊าซวนแรง กระแสน้ำก๊าซวนเป็นรูปแบบพื้นฐานที่สุดของกระแสน้ำในห้องเผาไหม้ เนื่องจากกระแสน้ำก๊าซวนมีอิทธิพลทั้งในทิศทางการไหลและความเร็วเชิงเส้นมากกว่ากระแสน้ำแบบท่อ กระแสน้ำในช่อง และกระแสน้ำพุ่ง ดังนั้นการเปลี่ยนผันแบบเทอร์บูลเลนต์ของกระแสน้ำก๊าซวนจึงมีความไม่สมมาตรมากกว่ากระแสน้ำแบบดั้งเดิม การจำลองทางตัวเลขของกระแสน้ำก๊าซวนจึงเป็นความท้าทายอย่างมากต่อวิธีการจำลองเทอร์บูลเลนต์ หมู่ Xia และคณะได้ใช้วิธี VLES เพื่อคำนวณตัวอย่างกระแสน้ำก๊าซวนแรงแบบคลาสสิกในท่อ Dellenback และคณะ [14] ได้ทำการทดลองสนามกระแสน้ำเกี่ยวกับตัวอย่างนี้และมีข้อมูลการทดลองอย่างละเอียด ค่าจำนวนเรย์โนลด์ของกระแสน้ำในตัวอย่างที่คำนวณคือ 1.0 × 105 (ตามเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อรูปวงกลม) และค่า swirl number เท่ากับ 1.23 มีการใช้ตารางโครงสร้างสองชุดในการคำนวณ จำนวนรวมของตารางที่กระจายตัว (M1) มีประมาณ 900,000 และจำนวนรวมของตารางที่เข้ารหัส (M2) มีประมาณ 5.1 ล้าน ผลลัพธ์ของโมเมนต์สถิติที่ได้จากการคำนวณถูกเปรียบเทียบกับผลลัพธ์จากการทดลองเพื่อยืนยันความแม่นยำของการคำนวณด้วยวิธี VLES

การเปรียบเทียบผลลัพธ์ของการคำนวณจากวิธีต่าง ๆ และผลการทดลองเกี่ยวกับการกระจายแบบรัศมีของความเร็วเฉลี่ยตามแนววงกลมและความเร็วที่กระเพื่อมในตำแหน่งต่าง ๆ ทางทิศทางปลายน้ำภายใต้การไหลหมุนแรงแสดงอยู่ในรูปที่ 4 ในรูปนี้ พิกัดแกนนอนและแกนตั้งคือระยะห่างแบบไม่มีมิติและความเร็วแบบไม่มีมิติ ตามลำดับ โดยที่ D1 เป็นเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อเข้าทรงกลม และ Uin เป็นความเร็วเฉลี่ยของท่อเข้า สามารถเห็นได้จากรูปว่าสนามการไหลแสดงให้เห็นถึงวนอิงก์แบบผสมที่คล้าย Rankin กำลังเปลี่ยนไปสู่วนแข็งเดี่ยว เมื่อเปรียบเทียบระหว่างผลลัพธ์จากการคำนวณและการทดลอง จะพบว่าวิธี VLES มีความแม่นยำสูงในการทำนายความเร็วตามแนววงกลมของการไหลหมุนแรง ซึ่งสอดคล้องดีกับการกระจายจากการวัดเชิงทดลอง ส่วนวิธี RANS แบบดั้งเดิมมีความเบี่ยงเบนมากในการคำนวณการไหลหมุน และไม่สามารถทำนายการวิวัฒนาการเชิงพื้นที่ของสนามการไหลหมุนและแรงกระเพื่อมแบบกังวาลได้อย่างถูกต้อง เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว วิธี VLES มีความแม่นยำสูงมากในการทำนายสนามความเร็วเฉลี่ย สนามความเร็วที่กระเพื่อม และการวิวัฒนาการเชิงพื้นที่ภายใต้การไหลหมุนแรงที่ซับซ้อน และยังคงรักษาความแม่นยำในการคำนวณสูงแม้ในกรณีที่มีความละเอียดของตารางข้อมูลค่อนข้างน้อย นอกจากนี้ ผลลัพธ์จากการคำนวณด้วยวิธี VLES สำหรับการทำนายความเร็วเฉลี่ยตามแนววงกลมยังคงสอดคล้องกันในสองชุดของความละเอียดตารางข้อมูลที่หนาแน่นและบางเบา

การจำลองการเผาไหม้แบบกังวานด้วยวิธี Large Eddy Simulation

เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ของวิธี VLES ในการทำนายปัญหาการเผาไหม้แบบกังวาน [15-16] แบบจำลองการเผาไหม้แบบกังวานที่พัฒนาขึ้นโดยใช้วิธี VLES ร่วมกับ flamelet generated manifolds (FGM) โดยแนวคิดพื้นฐานคือการสมมติว่าเปลวไฟกังวานมีโครงสร้างเหมือนเปลวไฟแบบลำเลียงหนึ่งมิติในระดับท้องถิ่น และพื้นผิวของเปลวไฟกังวานเป็นค่าเฉลี่ยรวมของลำดับพื้นผิวเปลวไฟแบบลำเลียงหลายชุด ดังนั้น พื้นที่องค์ประกอบหลายมิติสามารถถูกแมปไปยังรูปแบบการไหลที่มีมิติน้อยซึ่งประกอบด้วยตัวแปรลักษณะสำคัญหลายตัว (เช่น สัดส่วนของสารผสม ตัวแปรความก้าวหน้าของการปฏิกิริยา เป็นต้น) โดยภายใต้เงื่อนไขของการพิจารณากลไกปฏิกิริยาอย่างละเอียด จำนวนสมการการขนส่งที่ต้องแก้จะลดลงอย่างมาก ซึ่งช่วยลดต้นทุนการคำนวณอย่างมีนัยสำคัญ

กระบวนการดำเนินการเฉพาะคือการสร้างตารางข้อมูลชั้นเรียบ FGM โดยอิงตามส่วนแบ่งของสารปนเปื้อนและตัวแปรความก้าวหน้าของการเผาไหม้ พิจารณาปฏิสัมพันธ์ระหว่างการเผาไหม้แบบกังหันโดยสมมติวิธีฟังก์ชันความหนาแน่นของความน่าจะเป็นเพื่อรวมตารางข้อมูลชั้นเรียบ และด้วยวิธีนี้จึงได้รับตารางข้อมูลการเผาไหม้แบบกังหัน ในกระบวนการคำนวณเชิงตัวเลข สมการขนส่งของส่วนแบ่งสารปนเปื้อน ตัวแปรความก้าวหน้าของการเผาไหม้ และความแปรปรวนที่เกี่ยวข้องจะถูกแก้ไข และข้อมูลในสนามการเผาไหม้จะได้รับจากการตรวจสอบตารางข้อมูลการเผาไหม้แบบกังหัน

แบบจำลองการเผาไหม้ที่วุ่นวายซึ่งพัฒนาขึ้นบนพื้นฐานของ VLES และ FGM ได้ถูกนำมาใช้เพื่อทำการคำนวณเชิงตัวเลขเกี่ยวกับเปลวไฟเจ็ตก๊าซธรรมชาติ/อากาศที่วุ่นวาย (Flame D) ซึ่งได้รับการวัดโดยห้องปฏิบัติการ Sandia ในสหรัฐอเมริกา และมีการเปรียบเทียบเชิงปริมาณกับข้อมูลการวัดทางทดลอง สารเชื้อเพลิงในตัวอย่างเปลวไฟ Sandia Flame D (จำนวน Reynolds เท่ากับ 22400) เป็นสารผสมสมบูรณ์ของก๊าซธรรมชาติและอากาศในอัตราส่วนปริมาตร 1:3 อัตราความเร็วของเชื้อเพลิงที่ไหลเข้าประมาณ 49.9 ม./วินาที และความเร็วในบริเวณหลังลำธารประมาณ 11.4 ม./วินาที เปลวไฟหลักเป็นสารผสมของก๊าซธรรมชาติที่เผาไหม้แล้วและอากาศ และสารในบริเวณหลังลำธารเป็นอากาศบริสุทธิ์ การคำนวณใช้ตารางโครงสร้าง และจำนวนตารางทั้งหมดประมาณ 1.9 ล้านเซลล์

การกระจายของส่วนประกอบเฉลี่ยตามแกนต่าง ๆ แสดงอยู่ในรูปที่ 5 โดยพิกัดแนวนอนและแนวตั้งในรูปคือระยะทางที่ไม่มีมิติ (D2 เป็นเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ النفืดเข้า) และสัดส่วนมวลที่ไม่มีมิติ ตามลำดับ จากกราฟจะเห็นได้ว่า การทำนายส่วนประกอบหลักของกระบวนการเผาไหม้โดยวิธี VLES มีความสอดคล้องกับผลการทดลองเป็นอย่างดี ในรูปที่ 6 แสดงถึงการกระจายของอุณหภูมิในพื้นที่ส่วนผสมที่ตำแหน่งต่าง ๆ ภายใต้กระแสไหลลงมา ซึ่งจากกราฟจะเห็นได้ว่าแนวโน้มของการกระจายที่ทำนายโดยวิธี VLES สอดคล้องกับผลการทดลองโดยทั่วไป แต่ค่าสูงสุดของอุณหภูมิที่คำนวณได้มีค่าสูงกว่าเล็กน้อยเมื่อเทียบกับค่าจากการทดลอง การกระจายของความชันทันที อุณหภูมิ และฟังก์ชันควบคุมการแก้ไขที่คำนวณโดย VLES แสดงอยู่ในรูปที่ 7 โดยเส้นตรงใช้ Zst=0.351 จากกราฟจะเห็นได้ว่า พื้นที่แกนกลางของกระแสน้ำจืดแสดงการสั่นสะเทือนแบบกําลังแรง และเมื่อสนามกระแสน้ำไหลลงไปเรื่อย ๆ ขนาดของโครงสร้างวนจะเพิ่มขึ้นทีละน้อย จากกราฟที่ 7 (b) และ (c) จะเห็นได้ว่า ในพื้นที่ปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่ ฟังก์ชันควบคุมการแก้ไขอยู่ระหว่าง 0 ถึง 1 ซึ่งหมายความว่าความละเอียดของตารางในท้องถิ่นสามารถจับโครงสร้างการไหลระดับใหญ่ได้ และจำลองเฉพาะการไหลระดับเล็กผ่านแบบจำลอง ในกรณีนี้ VLES เปรียบเสมือนโหมดการแก้สมการการไหลแบบ large eddy simulation ในชั้นขอบเขตการไหลและการเผาไหม้บริเวณขอบนอกด้านล่าง ฟังก์ชันควบคุมการแก้ไขใกล้เคียงกับ 1 ซึ่งหมายความว่าขนาดของตัวกรองที่ตัดทอนของตารางการคำนวณมีขนาดใหญ่กว่าขนาดการไหลของความผันผวนในท้องถิ่น ในกรณีนี้ VLES เปรียบเสมือนโหมดการแก้สมการการไหลแบบ Reynolds average unsteady สรุปได้ว่า วิธี VLES สามารถเปลี่ยนโหมดการแก้สมการการไหลแบบกําลังแรงหลายแบบตามลักษณะการวิวัฒนาการของโครงสร้างวนจริงเวลา และสามารถทำนายกระบวนการเผาไหม้แบบไม่คงที่ในเปลวไฟกําลังแรงได้อย่างแม่นยำ

การจำลองการวนเวียนขนาดใหญ่ของกระบวนการแยกอนุภาคทั้งหมด

ส่วนใหญ่ของเชื้อเพลิงที่ใช้ในห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์อากาศยานเป็นเชื้อเพลิงในสถานะของเหลว เชื้อเพลิงในสถานะของเหลวจะเข้าสู่ห้องเผาไหม้และผ่านกระบวนการแยกอนุภาคขั้นแรกและขั้นที่สอง มีความยากลำบากหลายประการในการจำลองกระบวนการแยกอนุภาคทั้งหมดของเชื้อเพลิงในสถานะของเหลว รวมถึงการจับโครงสร้างพื้นผิวทางทอโพโลยีของเฟสก๊าซ-ของเหลว การเสียรูปและการแตกของคอลัมน์ของเหลว การพัฒนาการแตกของแถบที่เป็นของเหลวและการเกิดเส้นใยของเหลวจนกลายเป็นหยดน้ำ และปฏิสัมพันธ์ระหว่างกระแสน้ำวนกับหยดน้ำ Huang Ziwei [19] ได้พัฒนาแบบจำลองการจำลองกระบวนการแยกอนุภาคทั้งหมดโดยใช้วิธี VLES ร่วมกับวิธีการคำนวณการแยกอนุภาคแบบผสม VOF-DPM ทำให้สามารถจำลองด้วยตัวเลขได้ทั้งกระบวนการของการแยกอนุภาคของเชื้อเพลิงจากของเหลวต่อเนื่องไปจนถึงหยดน้ำที่แยกออกมา

แบบจำลองการจำลองกระบวนการสร้างละอองใหม่ที่พัฒนาขึ้นถูกนำมาใช้เพื่อดำเนินการคำนวณตัวเลขอย่างแม่นยำสำหรับกระบวนการสร้างละอองของคอลัมน์ของเหลวไหลขวางแบบคลาสสิก และมีการเปรียบเทียบอย่างละเอียดกับผลลัพธ์จากการทดลองในวรรณกรรมที่เผยแพร่ [20] และผลลัพธ์จากการคำนวณการจำลองการเคลื่อนที่ขนาดใหญ่ [21] ในตัวอย่างการคำนวณ ฟазาก๊าซคืออากาศซึ่งมีความเร็วอยู่ที่ 77.89 และ 110.0 ม./วินาที ตามลำดับ และฟазาของเหลวคือน้ำสะอาดซึ่งมีความเร็วอยู่ที่ 8.6 ม./วินาที จำนวนเวเบอร์ที่สอดคล้องกันคือ 100 และ 200 ตามลำดับ เพื่อจำลองกระบวนการแตกตัวครั้งที่สองได้ดียิ่งขึ้น แบบจำลองการแตกตัวใช้แบบจำลอง Kelvin-Helmholtz และ Rayleigh-Taylor (KHRT).

กระบวนการการทำให้เป็นละอองอย่างสมบูรณ์ที่คาดการณ์โดย VLES ภายใต้เงื่อนไขตัวเลข Weber 100 แสดงอยู่ในรูปที่ 8 จากที่สามารถเห็นได้จากภาพ จะมีการก่อตัวของแผ่นของเหลวบางในพื้นที่เริ่มต้น จากนั้นเสาน้ำจะแตกออกเป็นแถบน้ำและเส้นใยน้ำ และแตกตัวเป็นหยดน้ำภายใต้แรงพลศาสตร์ของอากาศ และหยดน้ำจะแตกตัวเป็นหยดน้ำเล็กๆ มากขึ้นผ่านกระบวนการแตกตัวครั้งที่สอง ความเร็วของกระแสและกระจายตัวของไอดีตามแนวแกนที่คำนวณโดย VLES ภายใต้เงื่อนไขตัวเลข Weber 100 แสดงอยู่ในรูปที่ 9 จากที่สามารถเห็นได้จากภาพ มีเขตหมุนเวียนกลับด้วยความเร็วน้อยอย่างเด่นชัดทางด้านหลังของเสาน้ำ สามารถสังเกตได้จากกระจายตัวของไอดีแบบทันทีว่าด้านหลังของเสาน้ำแสดงโครงสร้างวนแรง และการเคลื่อนไหวแบบก่อกวนที่เข้มแข็งในเขตหมุนเวียนกลับด้วยความเร็วน้อยนี้ช่วยส่งเสริมการแตกตัวของแผ่นเสาน้ำและการก่อตัวของหยดน้ำ

อัตราส่วนของเส้นผ่าศูนย์กลางขีดเริ่มต้นของเจ็ทต่อขนาดมิติการไหลขั้นต่ำของเจ็ทของของเหลวเมื่อเสาของเหลวเริ่มแตกออกภายใต้ตัวเลข Weber ที่แตกต่างกันแสดงอยู่ในรูปที่ 10 ในรูป di เป็นขนาดมิติการไหลขั้นต่ำของเจ็ทของเหลวเมื่อเสาของเหลวเริ่มแตกออก และ D3 เป็นเส้นผ่าศูนย์กลางขีดเริ่มต้นของเจ็ทของเหลว จากกราฟจะเห็นได้ว่าผลลัพธ์จากการคำนวณ VLES สอดคล้องกับผลการทดลองเป็นอย่างดี ซึ่งดีกว่าผลลัพธ์จากการคำนวณการจำลองการวนเวียนขนาดใหญ่ในวรรณกรรม [21]

การจำลองความไม่มั่นคงของการเผาไหม้แบบ Very Large Eddy Simulation

เพื่อให้ตรงกับข้อกำหนดเรื่องการปล่อยมลพิษต่ำ ห้องเผาไหม้ของอากาศยานพลเรือนมักถูกออกแบบให้มีการเผาไหม้แบบผสมล่วงหน้าหรือผสมบางส่วนแบบเบา (lean combustion) อย่างไรก็ตาม การเผาไหม้แบบเบาที่ผสมล่วงหน้ามีเสถียรภาพต่ำและมีแนวโน้มที่จะกระตุ้นโหมดการเผาไหม้แบบสั่นสะเทือนที่เกิดจากการคูปองระหว่างความร้อนและความถี่เสียง ส่งผลให้เกิดความไม่มั่นคงในการเผาไหม้ ความไม่มั่นคงของการเผาไหม้มีผลกระทบทำลายล้างสูง และอาจมาพร้อมกับปัญหา เช่น การกลับแฟลช (flashback) และการเปลี่ยนรูปของวัสดุ ซึ่งเป็นปัญหาสำคัญที่การออกแบบห้องเผาไหม้ต้องเผชิญ

การคำนวณเชิงตัวเลขของการไม่มั่นคงในการเผาไหม้สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: วิธีการแยกส่วนและวิธีการเชื่อมโยงโดยตรง การทำนายการไม่มั่นคงจากการเผาไหม้วิธีการแยกส่วนจะแยกโซลูชันการเผาไหม้ที่ไม่คงที่และโซลูชันเสียง การเผาไหม้ที่ไม่คงที่ต้องใช้ตัวอย่างการคำนวณจำนวนมากเพื่อสร้างฟังก์ชันคำอธิบายเปลวไฟที่น่าเชื่อถือ หากใช้วิธีการคำนวณแบบการจำลองม้วนวนขนาดใหญ่ (LES) การใช้ทรัพยากรในการคำนวณจะมากเกินไป วิธีการคำนวณการเชื่อมโยงโดยตรงนั้นขึ้นอยู่กับวิธีการแก้ปัญหาแบบบีบอัดได้ และได้ผลลัพธ์ของการไม่มั่นคงจากการเผาไหม้ผ่านการคำนวณที่ไม่คงที่ด้วยความแม่นยำสูง โดยในกระบวนการคำนวณเดียวกันนี้ จะทำการคำนวณเชื่อมโยงระหว่างการเผาไหม้ที่ไม่คงที่และการแพร่กระจายของเสียงภายใต้เงื่อนไขการทำงานที่กำหนดไว้

ในงานศึกษาการจำลองเชิงตัวเลขของการแยกความไม่มั่นคงของการเผาไหม้ หวง และคณะ [27] ได้พัฒนาแบบจำลองการคำนวณความไม่มั่นคงของการเผาไหม้โดยใช้วิธี VLES ร่วมกับวิธีการคำนวณเปลวไฟหนา และสามารถทำนายกระบวนการเผาไหม้ที่ไม่เสถียรภายใต้แรงกระตุ้นทางเสียงได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างการคำนวณคือเปลวไฟเอทธิลีน/อากาศที่ผสมเต็มที่ซึ่งพัฒนาโดยมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ มีอัตราส่วนสมมูลเท่ากับ 0.55 และจำนวนเรย์โนลด์ประมาณ 17000 การเปรียบเทียบระหว่างผลลัพธ์จากการคำนวณด้วยวิธี VLES กับผลการทดลองของลักษณะพลศาสตร์เปลวไฟที่ไม่เสถียรภายใต้แรงกระตุ้นทางเสียงแสดงในรูปที่ 12 จากกราฟจะเห็นได้ว่าในระหว่างกระบวนการกระตุ้นทางเข้า เปลวไฟหมุนกลิ้งที่ชั้นตัดภายในและภายนอก และพัฒนาเป็นคู่วนเกลียวหมุนตรงข้าม ในกระบวนการนี้ ลักษณะการพัฒนาของเปลวไฟที่มีลักษณะคล้ายดอกเห็ดยังคงเปลี่ยนแปลงไปตามมุมเฟส ผลลัพธ์จากการคำนวณด้วยวิธี VLES สามารถจำลองลักษณะการพัฒนาของเปลวไฟที่พบในงานทดลองได้ดี การเปรียบเทียบของขนาดและมุมนำของอัตราการปล่อยความร้อนภายใต้แรงกระตุ้นเสียงที่ 160 Hz ที่ได้จากวิธีการคำนวณต่าง ๆ และการวัดจริงแสดงในรูปที่ 13 ในกราฟ Q' และ Q ͂ คือการปล่อยความร้อนแบบพัลส์และการปล่อยความร้อนเฉลี่ยของการเผาไหม้ตามลำดับ A คือแอมพลิจูดของการกระตุ้นเสียงเชิงไซนัส และแกนตั้งของรูปที่ 13 (b) คือความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณการปล่อยความร้อนชั่วคราวของการเผาไหม้ภายใต้การกระตุ้นเสียงกับสัญญาณการกระตุ้นความเร็วที่ทางเข้า จากรูปสามารถเห็นได้ว่าความแม่นยำของการทำนายของวิธี VLES เทียบเคียงได้กับความแม่นยำของการจำลองการเคลื่อนที่ของอนุภาคขนาดใหญ่ [28] และทั้งสองอยู่ในความสอดคล้องที่ดีกับค่าทดลอง แม้ว่าวิธี RANS ที่ไม่คงที่จะทำนายแนวโน้มของความตอบสนองแบบไม่เชิงเส้น แต่ผลลัพธ์เชิงปริมาณที่คำนวณได้เบี่ยงเบนไปจากค่าทดลองอย่างมาก ส่วนผลลัพธ์ของความแตกต่างของเฟส (รูปที่ 13 (b)) แนวโน้มของความแตกต่างของเฟสที่ทำนายโดยวิธี VLES กับแอมพลิจูดของการรบกวนสอดคล้องกับผลลัพธ์จากการทดลองเป็นส่วนใหญ่ ในขณะที่ผลลัพธ์จากการจำลองการเคลื่อนที่ของอนุภาคขนาดใหญ่ไม่สามารถทำนายแนวโน้มดังกล่าวได้ดี