Büyük girdap simülasyonuna dayalı uçak motoru yanma odasının aerodinamik performansına ilişkin araştırma ilerlemesi

Büyük girdap simülasyonuna dayalı uçak motoru yanma odasının aerodinamik performansına ilişkin araştırma ilerlemesi

Yanma odası, bir uçak motorunun temel bileşenlerinden biridir ve yanma odasının aerodinamik performansı, tüm motorun performansında hayati bir rol oynar. Motorun yanma odası için giderek daha sıkı hale gelen teknik gereksinimlerini karşılamak amacıyla, yanma odası içindeki yanma organizasyon modu ve akış özellikleri çok karmaşık hale gelmiştir. Difüzörün yavaşlatma ve basınçlandırma işlemi, güçlü bir ters basınç gradyanı altında akış ayrımıyla karşı karşıya kalabilir; hava akışı, bir yandan sıvı yakıtın atomizasyonunu ve buharlaşmasını teşvik eden ve yakıtla güçlü bir şekilde titreşimli, dengesiz bir karışım oluşturan ve diğer yandan aerodinamik devridaim bölgesinde sabit bir alev oluşturan büyük ölçekli bir girdap yapısı oluşturmak için çok aşamalı bir girdap cihazından geçer; ana yanma/karıştırma deliğinin çoklu jetleri, türbülanslı karıştırma üzerinde önemli bir etkiye sahip olan ters dönen bir girdap çifti oluşturmak için alev borusundaki yanal akışla etkileşime girer. Akış temelinde, atomizasyon ve buharlaştırma, karıştırma, kimyasal reaksiyon ve türbülans ile alev arasındaki etkileşim gibi çok ölçekli fiziksel ve kimyasal süreçler güçlü bir şekilde birleştirilmiştir ve bunlar yanma odasının aerodinamik özelliklerini birlikte belirler. Bu fiziksel ve kimyasal süreçlerin yüksek hassasiyetli modellemesi ve hesaplanması, yurtiçinde ve yurtdışında her zaman sıcak bir araştırma konusu olmuştur.

Yanma odasındaki atomizasyon, buharlaşma, karıştırma ve yanma süreçleri türbülanslı bir akış ortamında gelişir ve evrimleşir, bu nedenle akış yanma odasının aerodinamik performansının simülasyonunun temelidir. Türbülansın temel karakteristiği, akış parametrelerinin doğrusal olmayan konveksiyon süreci nedeniyle rastgele titreşim göstermesidir. Türbülans birçok girdap yapısı içerir. Uzunluk ve zaman ölçeklerindeki farklı girdapların açıklıkları çok büyüktür ve Reynolds sayısı arttıkça ölçekler arasındaki açıklıklar keskin bir şekilde artar. Doğrudan çözülen türbülanslı girdap yapılarının oranına göre, türbülans simülasyonu Yöntemler doğrudan sayısal simülasyon (DNS), Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (RANS), büyük girdap simülasyonu (LES) ve karışık türbülans simülasyonu yöntemleri olarak ayrılır. Mühendislikte yaygın olarak kullanılan RANS yöntemi, türbülanslı ortalama alanı çözer ve tüm türbülanslı titreşim bilgilerini simüle etmek için bir model kullanır. Hesaplama miktarı küçüktür, ancak doğruluğu zayıftır. Yanma odasındaki güçlü girdap ve düzensiz akış süreçleri için RANS, rafine tasarımın gereksinimlerini karşılayamaz. Pitsch, LES'in hesaplama karmaşıklığının RANS ve DNS arasında olduğunu ve şu anda orta ve düşük Reynolds sayılarına sahip kısıtlanmamış alanlarda türbülanslı yanma hesaplamaları için kullanıldığını belirtti. Yanma odasının yakın duvar alanındaki türbülans ölçeğinin küçük olması ve akışın yüksek Reynolds sayısı nedeniyle, yalnızca yanma odasının tek bir kafasının LES hesaplaması için gereken ızgara miktarı yüz milyonlarca ila milyarlarca arasındadır. Bu kadar yüksek hesaplama kaynağı tüketimi, LES'in yanma odası simülasyonlarında yaygın kullanımını sınırlamaktadır.

Çok Büyük Girdap Simülasyonu (VLES) ve Hibrit RANS-LES Yöntemi çerçevelerine dayalı yüksek hassasiyetli hesaplama modelleri ve yöntemlerinin kurulması sayısal simülasyonda önemli bir eğilimdir. Han ve arkadaşları tarafından geliştirilen VLES yöntemi, geleneksel LES'teki ızgara ölçeğini filtreleme ve türbülans ölçeği eşleştirme kısıtlamalarını çözme nedeniyle oluşan düşük hesaplama verimliliği sorununu çözer ve türbülans çok ölçekli özellikleri, geçici evrim özellikleri ve ızgara çözünürlüğü arasında birleştirme modellemesi gerçekleştirir. , VLES, girdap yapısı evriminin gerçek zamanlı özelliklerine dayalı türbülans çözümü ve model modelleme arasındaki oranı uyarlamalı olarak ayarlayarak hesaplama doğruluğunu sağlarken hesaplama maliyetlerini önemli ölçüde azaltır.

Bununla birlikte, geleneksel LES ile karşılaştırıldığında, VLES'in teorisi ve özellikleri yaygın olarak incelenmemiş ve kullanılmamıştır. Bu makale, VLES'in modelleme teorisini ve yanma odalarıyla ilgili çeşitli fiziksel senaryolardaki uygulama etkilerini sistematik olarak tanıtmakta ve VLES'in uçak motoru yanma odası simülasyonu alanında geniş ölçekli uygulamasını teşvik etmektedir.

Büyük Eddy Simülasyon Yöntemi

Türbülans simülasyon yöntemlerinin hesaplama kaynak tüketimi ve modelleri üzerindeki etkisi Şekil 1'de gösterilmiştir. RANS, LES ve VLES yöntemlerinin hepsi türbülans modellemesi yoluyla akış simülasyonu gerçekleştirir. VLES'in en erken net tanımının Pope tarafından verildiği ve "hesaplamalı ızgara ölçeği çok kaba olduğundan doğrudan çözülen türbülans kinetik enerjisinin toplam türbülans kinetik enerjisinin %80'inden az olduğu" ifadesine atıfta bulunduğu belirtilmelidir. Aynı zamanda, Pope tarafından verilen LES anlamı [6] "hesaplamalı ızgara çok ince olduğundan doğrudan çözülen türbülans kinetik enerjisinin toplam türbülans kinetik enerjisinin %80'inden fazla olduğu"dur. Bununla birlikte, bu makalede tanıtılan VLES'in önceki yönteme dayanarak yeniden modellenmiş ve geliştirilmiş yeni bir hesaplamalı yöntem olduğu belirtilmelidir. İsimler aynı olsa da, yeni VLES yöntemi Pope tarafından tanımlanan VLES yönteminden esasen farklıdır. Şekilden görülebileceği gibi, geleneksel türbülans modları hesaplama doğruluğu sırasına göre RANS, URANS, hibrit RANS/LES, LES ve DNS'dir. Yeni model çerçevesi altında, türbülans modları hesaplama doğruluğu sırasına göre RANS, VLES ve DNS'ye ayrılmıştır. Yani, VLES yöntemi birden fazla geleneksel türbülans modunun birleştirilmesini gerçekleştirir ve farklı modeller gerçek hesaplamalarda yerel özelliklere göre sorunsuz bir şekilde geçiş yapar ve dönüşür.

Yanma odasındaki tipik fiziksel süreçlerin simülasyonu

Güçlü Dönen Akışın Çok Büyük Girdap Simülasyonu

Bir uçak motorunun yanma odası genellikle çok aşamalı girdap ve güçlü girdap gibi akış alanı organizasyon formlarını benimser. Girdap akışı yanma odasındaki en temel akış formudur. Girdap hem akış yönünde hem de teğetsel yönde baskın olduğundan, girdabın türbülanslı titreşimi geleneksel boru akışından, kanal akışından ve jet akışından daha güçlü anizotropiye sahiptir. Bu nedenle, girdabın sayısal simülasyonu türbülans simülasyon yöntemine büyük bir zorluk teşkil eder. Xia ve arkadaşları tüpteki klasik güçlü girdap akış örneğini hesaplamak için VLES yöntemini kullandılar; Dellenback ve arkadaşları [14] bu örnek üzerinde akış alanı deneyleri gerçekleştirdiler ve ayrıntılı deneysel verilere sahipler. Hesaplanan örneğin akış Reynolds sayısı 1.0'dır.×105 (dairesel tüpün çapına göre) ve girdap sayısı 1.23'tür. Hesaplamada iki set yapılandırılmış ızgara kullanılır. Seyrek ızgaraların (M1) toplam sayısı yaklaşık 900,000'dir ve şifreli ızgaraların (M2) toplam sayısı yaklaşık 5.1 milyondur. Hesaplamayla elde edilen istatistiksel moment sonuçları, VLES yönteminin hesaplama doğruluğunu doğrulamak için deneysel sonuçlarla daha da karşılaştırılır.

Farklı yöntemlerin hesaplama sonuçlarının ve güçlü girdaplı akış altında farklı akış aşağı konumlarındaki çevresel ortalama hız ve titreşimli hızın radyal dağılımının deneysel sonuçlarının karşılaştırılması Şekil 4'te gösterilmiştir. Şekilde, yatay ve dikey koordinatlar sırasıyla boyutsuz mesafe ve boyutsuz hızdır, burada D1 giriş dairesel borusunun çapı ve Uin giriş ortalama hızıdır. Şekilden görülebileceği gibi, akış alanı tipik bir Rankin benzeri bileşik girdaptan kademeli olarak tek bir katı cisim girdabına geçiş göstermektedir. Hesaplama ve deneysel sonuçlar karşılaştırıldığında, VLES yönteminin güçlü girdaplı akışın çevresel hızının tahmini için yüksek bir hesaplama doğruluğuna sahip olduğu ve bunun deneysel ölçümlerin dağılımıyla iyi bir uyum içinde olduğu görülebilir. Geleneksel RANS yöntemi girdap akışı hesaplamasında çok büyük bir sapmaya sahiptir ve girdap akış alanının ve türbülanslı titreşimin mekansal evrimini doğru bir şekilde tahmin edemez. Karşılaştırıldığında, VLES yöntemi karmaşık güçlü girdaplı akış altında ortalama hız alanı, titreşimli hız alanı ve mekansal evrimin tahmininde çok yüksek bir doğruluğa sahiptir ve nispeten seyrek bir ızgara çözünürlüğünde bile yüksek bir hesaplama doğruluğunu garanti edebilir. Çevresel ortalama hızın tahmini için, VLES yönteminin hesaplama sonuçları temelde iki set seyrek ve yoğun ızgara çözünürlüğünde tutarlıdır.

Türbülanslı Yanmanın Büyük Girdap Simülasyonu

Türbülanslı yanma problemlerini tahmin etmede VLES yönteminin uygulanabilirliğini incelemek için [15-16], alevcik üretilen manifoldlarla (FGM) birleştirilmiş VLES yöntemine dayalı bir türbülanslı yanma modeli geliştirildi. Temel fikir, türbülanslı alevin yerel olarak tek boyutlu bir laminer alev yapısına sahip olduğunu ve türbülanslı alev yüzeyinin bir dizi laminer alev yüzeyinin topluluk ortalaması olduğunu varsaymaktır. Bu nedenle, yüksek boyutlu bileşen alanı, birkaç karakteristik değişkenden (karışım oranı, reaksiyon ilerleme değişkeni, vb.) oluşan düşük boyutlu bir akış desenine eşlenebilir. Ayrıntılı reaksiyon mekanizmasının dikkate alınması koşuluyla, çözülmesi gereken taşıma denklemlerinin sayısı büyük ölçüde azalır ve böylece hesaplama maliyeti önemli ölçüde azaltılır.

Belirli uygulama süreci, karışım oranı ve reaksiyon ilerleme değişkenlerine dayalı FGM laminer veri tablosunu oluşturmak, laminer veri tablosunu entegre etmek için olasılık yoğunluk fonksiyonu yöntemini varsayarak türbülanslı yanma arasındaki etkileşimi dikkate almak ve böylece türbülanslı veri tablosunu elde etmektir. Sayısal hesaplamada, karışım oranının, reaksiyon ilerleme değişkenlerinin ve karşılık gelen varyansın taşıma denklemleri çözülür ve yanma alanı bilgisi türbülanslı veri tablosuna sorgu yapılarak elde edilir.

VLES ve FGM'ye dayalı türbülanslı yanma modeli, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Sandia laboratuvarı tarafından ölçülen metan/hava türbülanslı jet alevi (Alev D) üzerinde sayısal hesaplamalar yapmak için kullanıldı ve deneysel ölçüm verileriyle niceliksel karşılaştırmalar yapıldı. Sandia Alev D örneğinin yakıt malzemesi (Reynolds sayısı 22400'dür) 1:3 hacim oranına sahip metan ve havanın tam bir karışımıdır, yakıt giriş hızı yaklaşık 49.9 m/s'dir ve uyan hızı yaklaşık 11.4 m/s'dir. Görev alevi yanmış metan ve havanın bir karışımıdır ve uyan malzemesi saf havadır. Hesaplama yapılandırılmış bir şebeke kullanır ve toplam şebeke sayısı yaklaşık 1.9 milyondur.

Farklı bileşenlerin ortalama kütle kesirlerinin eksen boyunca dağılımı Şekil 5'te gösterilmiştir. Şekildeki yatay ve dikey koordinatlar sırasıyla boyutsuz mesafe (D2 giriş jet tüpünün çapıdır) ve boyutsuz kütle kesridir. Şekilden, VLES yöntemi ile yanma sürecinin ana bileşenlerinin tahmininin genel olarak deneysel sonuçlarla iyi bir uyum içinde olduğu görülebilir. Karışım kesri uzayındaki farklı akış aşağı konumlarındaki sıcaklığın dağınık dağılımı Şekil 6'da gösterilmiştir. Şekilden, VLES yöntemi ile tahmin edilen dağınık dağılım eğiliminin temelde deneysel sonuçlarla tutarlı olduğu ve yalnızca hesaplanan sıcaklık uç değerinin deneysel değerden biraz daha yüksek olduğu görülebilir. VLES ile hesaplanan anlık girdap, sıcaklık ve çözünürlük kontrol fonksiyonunun dağılımı, katı çizginin Zst = 7 olarak alındığı Şekil 0.351'de gösterilmiştir. Şekilden, çekirdek jet alanının güçlü türbülanslı titreşim sergilediği ve akış alanı akış aşağı yönde geliştikçe girdap yapısının ölçeğinin kademeli olarak arttığı görülebilir. Şekil 7 (b) ve (c)'den görülebileceği gibi, çoğu kimyasal reaksiyon alanında çözünürlük kontrol fonksiyonu 0 ile 1 arasındadır ve bu da yerel ızgara çözünürlüğünün büyük ölçekli türbülansı yakalayabildiğini ve model aracılığıyla yalnızca küçük ölçekli türbülansı simüle edebildiğini gösterir. Bu sırada, VLES yaklaşık büyük girdap simülasyon çözüm modu gibi davranır. Jet kesme tabakasında ve akış aşağısı alevinin dış kenarında çözünürlük kontrol fonksiyonu 1'e yakındır ve bu da hesaplamalı ızgaranın kesilmiş filtre ölçeğinin yerel türbülans ölçeğinden daha büyük olduğunu gösterir. Bu sırada, VLES istikrarsız Reynolds ortalama çözüm modu gibi davranır. Özetle, VLES yönteminin girdap yapısı evriminin gerçek zamanlı özelliklerine göre birden fazla türbülans çözüm modunun dönüşümünü gerçekleştirebildiği ve türbülanslı alevlerdeki istikrarsız yanma sürecini doğru bir şekilde tahmin edebildiği görülebilir.

Tam atomizasyon sürecinin büyük girdap simülasyonu

Bir uçak motorunun yanma odasında kullanılan yakıtın çoğu sıvı yakıttır. Sıvı yakıt yanma odasına girer ve birincil atomizasyon ve ikincil atomizasyon süreçlerinden geçer. Sıvı yakıtın tam atomizasyon sürecini simüle etmede, gaz-sıvı iki fazlı topolojik arayüz konfigürasyonunun yakalanması, sıvı kolon deformasyonu ve kopması, sıvı bantların ve sıvı filamentlerin damlacıklara parçalanarak evrimleşmesi ve türbülanslı akış ile damlacıklar arasındaki etkileşim dahil olmak üzere birçok zorluk vardır. Huang Ziwei [19], sürekli sıvıdan ayrı damlacıklara yakıt atomizasyonunun tam süreç sayısal simülasyonunu gerçekleştiren, VOFDPM hibrit atomizasyon hesaplama yöntemi ile birleştirilmiş VLES yöntemine dayalı tam bir atomizasyon süreci simülasyon modeli geliştirdi.

Klasik yanal akışlı sıvı kolon atomizasyon işleminin yüksek hassasiyetli sayısal hesaplamalarını gerçekleştirmek için yeni geliştirilen bir atomizasyon işlemi simülasyon modeli kullanıldı ve açık literatürdeki deneysel sonuçlarla [20] ve büyük girdap simülasyon hesaplama sonuçlarıyla [21] ayrıntılı bir karşılaştırma yapıldı. Hesaplama örneğinde, gaz fazı sırasıyla 77.89 ve 110.0 m/s hızlara sahip havadır ve sıvı fazı 8.6 m/s hıza sahip sıvı sudur. Karşılık gelen Weber sayıları sırasıyla 100 ve 200'dür. İkincil parçalanma sürecini daha iyi simüle etmek için, parçalanma modeli Kelvin-Helmholtz ve Rayleigh-Taylor (KHRT) modelini benimser.

VLES'in Weber sayısı 100 koşulu altında öngördüğü tam atomizasyon süreci Şekil 8'de gösterilmiştir. Şekilden görülebileceği gibi, başlangıç ​​bölgesinde ince bir sıvı kolonu tabakası oluşur ve daha sonra sıvı kolonu sıvı bantlarına ve sıvı filamentlerine ayrılır ve aerodinamik kuvvetin etkisi altında damlacıklara ayrılır ve damlacıklar ikincil parçalanma yoluyla daha küçük damlacıklara ayrılır. VLES'in Weber sayısı 100 koşulu altında hesapladığı akış hızı ve açıklık çapındaki girdap dağılımı Şekil 9'da gösterilmiştir. Şekilden görülebileceği gibi, sıvı kolonunun rüzgar altı tarafında tipik bir düşük hızlı yeniden dolaşım bölgesi vardır. Anlık girdap dağılımından, sıvı kolonunun rüzgar altı tarafının güçlü bir girdap yapısı sergilediği ve düşük hızlı yeniden dolaşım bölgesindeki güçlü türbülans hareketinin sıvı kolonu tabakasının kopmasına ve damlacıkların oluşumuna katkıda bulunduğu görülebilir.

Sıvı kolonu farklı Weber sayıları altında parçalanmaya başladığında başlangıç ​​jet çapının sıvı jetinin minimum akış boyutuna oranı Şekil 10'da gösterilmiştir. Şekilde, di sıvı kolonu parçalanmaya başladığında sıvı jetinin minimum akış boyutudur ve D3 başlangıç ​​sıvı jet çapıdır. Şekilden, VLES hesaplama sonuçlarının literatürdeki büyük girdap simülasyonu hesaplama sonuçlarından daha iyi olan deneysel sonuçlarla iyi bir uyum içinde olduğu görülebilir [21].

Yanma Kararsızlığı Çok Büyük Girdap Simülasyonu

Düşük emisyon gereksinimlerini karşılamak için, sivil uçak yanma odaları genellikle önceden karıştırılmış veya kısmen önceden karıştırılmış zayıf yanma ile tasarlanır. Ancak, zayıf önceden karıştırılmış yanma zayıf bir kararlılığa sahiptir ve termoakustik bağlı salınım yanma modlarını uyarmaya eğilimlidir, bu da yanma kararsızlığına yol açar. Yanma kararsızlığı oldukça yıkıcıdır ve yanma odası tasarımında karşılaşılan önemli bir sorun olan geri tepme ve katı deformasyon gibi sorunlarla birlikte olabilir.

Yanma kararsızlığının sayısal hesaplaması iki kategoriye ayrılabilir: ayırma yöntemi ve doğrudan bağlama yöntemi. Ayrılmış yanma kararsızlığı tahmin yöntemi, kararsız yanmayı ve akustik çözümleri ayırır. Kararsız yanma, güvenilir bir alev tanımlama fonksiyonu oluşturmak için çok sayıda sayısal hesaplama örneği gerektirir. Büyük girdap simülasyonu hesaplama yöntemi kullanılırsa, hesaplama kaynak tüketimi çok büyüktür. Doğrudan bağlama hesaplama yöntemi, sıkıştırılabilir çözüm yöntemine dayanır ve yüksek hassasiyetli kararsız hesaplama yoluyla yanma kararsızlığının sonucunu doğrudan elde eder, yani belirli çalışma koşulları altında kararsız yanma ve akustiğin bağlama hesaplama süreci aynı hesaplama çerçevesi içinde bir seferde tamamlanır.

Yanma kararsızlığı ayrışmasının sayısal simülasyonu çalışmasında, Huang ve ark. [27], kalınlaştırıcı alev hesaplama yöntemi ile birleştirilmiş VLES yöntemine dayalı bir yanma kararsızlığı hesaplama modeli geliştirdiler ve akustik uyarım altında düzensiz yanma sürecinin doğru bir şekilde tahmin edilmesini sağladılar. Hesaplama örneği, Cambridge Üniversitesi tarafından geliştirilen, 0.55 eşdeğerlik oranına ve yaklaşık 17000 Reynolds sayısına sahip, künt gövde sabit etilen/hava tam önceden karıştırılmış bir alevdir. VLES hesaplama sonuçları ile akustik uyarım altında düzensiz alev dinamik özelliklerinin deneysel sonuçları arasındaki karşılaştırma Şekil 12'de gösterilmiştir. Şekilden, giriş uyarımı süreci sırasında alevin iç ve dış kesme katmanlarında yuvarlandığı ve ters yönde dönen bir girdap çiftine dönüştüğü görülebilir. Bu süreçte, mantar şeklindeki alev profilinin evrimi, faz açısının değişmesiyle birlikte gelişmeye devam eder. VLES hesaplama sonuçları, deneyde gözlemlenen alev evrim özelliklerini iyi bir şekilde yeniden üretir. Şekil 160'te farklı hesaplama yöntemleri ve deneysel ölçümlerle elde edilen 13 Hz akustik uyarım altında ısı salınım hızı tepkisinin genlik ve faz farkının karşılaştırılması gösterilmektedir. Şekilde, Q' ve Q͂ sırasıyla titreşimli ısı salınımı ve yanmanın ortalama ısı salınımıdır, A sinüzoidal akustik uyarımın genliğidir ve Şekil 13 (b)'nin ordinatı akustik uyarım altında yanmanın geçici ısı salınım sinyali ile giriş hızı uyarım sinyali arasındaki faz farkıdır. Şekilden görülebileceği gibi, VLES yönteminin tahmin doğruluğu büyük girdap simülasyonunun [28] doğruluğuna benzerdir ve her ikisi de deneysel değerlerle iyi bir uyum içindedir. Kararsız RANS yöntemi doğrusal olmayan tepkinin eğilimini tahmin etmesine rağmen, hesaplanan nicel sonuçlar deneysel değerlerden büyük ölçüde sapmaktadır. Faz farkı sonuçları için (Şekil 13 (b)), VLES yöntemi tarafından öngörülen faz farkının bozulma genliğiyle eğilimi temelde deneysel sonuçlarla tutarlıdır, büyük girdap simülasyon sonuçları ise yukarıdaki eğilimi iyi tahmin etmemektedir.