Büyük eddy simülasyonuna dayalı hava aracı motoru yanma odasının aerodinamik performansı üzerine araştırma ilerlemeleri

Büyük eddy simülasyonuna dayalı hava aracı motoru yanma odasının aerodinamik performansı üzerine araştırma ilerlemeleri

Yakıma odası, hava taşıtları motorunun temel bileşenlerinden biridir ve yakıma odasının aerodinamik performansı, tüm motora ait performans açısından kritik bir rol oynar. Motorun yakıma odasına yönelik giderek daha sert teknik gereksinimlerini karşılamak için, yakıma odasındaki akış düzeni ve akım özellikleri oldukça karmaşık hale gelmiştir. Genleyici tarafından gerçekleştirilen yavaşlatma ve basınç artırma süreci, güçlü ters bir basınç gradiyentinde akım ayrılmasıyla karşılaşıabilir; hava akımı, büyük ölçekli bir turbułan yapısı oluşturmak üzere çok aşamalı bir karıştırma cihazından geçer ki, bu bir yandan sıvı yakıtın atomize edilmesini ve buharlaşmasını teşvik eder ve yakıtla güçlü bir dalgalanma gösteren, istikrarsız bir karışım oluştururken, diğer yandan aerodinamik geri döngü bölgesinde durağan bir alev oluşturur. Ana yakım/karışım deliklerinin birden fazla jetleri, alev borusundaki yan yana akım ile etkileşimde bulunarak ters yönde dönen bir türbülans çift yapısı oluşturur ki, bu da türbülanslı karışım üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Atomizasyon ve buharlaşma, karışım, kimyasal reaksiyon ve türbülans ile alev arasındaki etkileşim gibi çok ölçekli fiziksel ve kimyasal süreçler, akım üzerine güçlü bir şekilde bağlıdır ve bunlar ortaklaşa yakıma odasının aerodinamik özelliklerini belirler. Bu fiziksel ve kimyasal süreçlerin yüksek hassasiyetle modellenmesi ve hesaplanması, her zaman hem yerli hem de yabancı araştırmaların popüler konularından biridir.

Yakıma odasındaki atomleştirme, buharlaşma, karışım ve yanma süreçleri, türbülans akış ortamında gelişir ve evolverir, bu nedenle akış, yakıma odasının aerodinamik performansının simülasyonunun temelidir. Türevlilikin temel özelliği, akış parametrelerinin, doğrusal olmayan konveksiyon süreci nedeniyle rastgele dalgalanmaya göstermesidir. Türbülans birçok vorteks yapısı içerir. Farklı vortekslerin uzunluk ve zaman ölçekleri açısından açıklığı büyük olup, Reynolds sayısı arttıkça ölçekler arasındaki açıklıklar keskin bir şekilde artar. Türbülans simülasyonu, doğrudan çözülen turbulent vorteks yapılarının oranına göre değişir.  yöntemler doğrudan sayısal benzetim (DNS), Reynolds-Avrage Navier-Stokes (RANS), büyük eddy benzetimi (LES) ve karışık turbulent benzetim yöntemlerine ayrılır. Mühendislikte yaygın olarak kullanılan RANS yöntemi, turbulent ortalama alanını çözer ve tüm turbulent dalga bilgilerini bir modelle simüle eder. Hesap miktarı küçüktür ancak doğruluk yetersizdir. Yandırma odasındaki güçlü dönmeli ve düzensiz akış süreçleri için RANS, detaylı tasarım gereksinimlerini karşılayamaz. Pitsch, LES'nin hesaplama karmaşıklığının RANS ve DNS arasındaysa da, şu anda orta ve düşük Reynolds sayılarına sahip kısıtsız alanlarda turbulent yanma hesapları için kullanılmaktadır. Yandırma odasının duvar yakınındaki küçük ölçekli turbulentlik ve akımın yüksek Reynolds sayısı nedeniyle, yalnızca yandırma odasının tek bir başının LES hesabı için gerekli olan ızgara miktarı yüz milyonlar hatta milyarlar kadardır. Bu kadar yüksek hesaplama kaynak tüketimi, LES'in yandırma odası simülasyonlarında yaygın kullanımı konusunda sınırlamalar getiriyor.

Çok yüksek hassasiyetli hesaplama modellerinin ve yöntemlerinin, Çok Büyük Eddy Simulasyonu (VLES) ve Hibrit RANS-LES Yöntemi çerçevesine dayalı olarak kurulması, sayısal simülasyonda önemli bir eğilimdir. Han ve ark. tarafından geliştirilen VLES yöntemi, geleneksel LES'teki süzgeç ölçeği ve türbülans ölçeği eşleştirme kısıtlamalarından kaynaklanan düşük hesaplamalı verimlilik sorununu çözer ve aynı zamanda türbülans çok-ölçekli özelliklerinin, geçici evrim özellikleriyle ve ızgara çözünürlüğü ile birlikte kombine modelleme yapmayı sağlar. VLES, dolu yapı evrimi gerçek zamanlı özelliklerine göre, türbülans çözümü ve modelleme oranı arasında uyumlu bir şekilde oran ayarlayarak, hesaplama maliyetlerini önemli ölçüde azaltırken da hesaplama doğruluğunu güvence altına alır.

Yine de, geleneksel LES'e kıyasla, VLES'in teorisi ve özellikleri yaygın olarak incelenmemiştir ve kullanılmamıştır. Bu makale, yanma odaları ile ilgili çeşitli fiziksel senaryolarda VLES'in modelleme teorisini ve uygulama etkilerini sistemli bir şekilde tanıtır ve VLES'in hava alan motoru yanma odası simülasyonunda büyük ölçekli kullanımını destekler.

Büyük Eddy Benzetimi Metodu

Turbulans benzetimi yöntemlerinin hesaplama kaynak tüketimine ve modellere etkisi Şekil 1'de gösterilmiştir. RANS, LES ve VLES yöntemleri tümüyle akış benzetimini elde etmek için turbulans modellemesi kullanır. Pope tarafından VLES'nin en erken net tanımı verildiği dikkat çekilmelidir; bu da "hesaplama ızgarası ölçeği çok kalın olduğundan direkt olarak çözülen turbulent kinetik enerji, toplam turbulent kinetik enerjinin %80'inden azdır" anlamına gelir. Aynı zamanda, Pope [6] tarafından verilen LES'in anlamı ise "hesaplama ızgarası çok ince olduğu için direkt olarak çözülen turbulent kinetik enerji, toplam turbulent kinetik enerjinin %80'inden fazladır". Ancak, bu makalede tanıtılan VLES'in önceki yöntem temelinde yeniden tasarlanmış ve geliştirilmiş yeni bir hesaplama yöntemi olduğunu belirtmek gerekir. İsimler aynı olsa da, yeni VLES yöntemi, Pope tarafından tanımlanan VLES yöntemi ile temel olarak farklılaşmaktadır. Şekilden görülebileceği gibi, geleneksel turbulans modelleri sırasıyla hesaplamalı doğruluğa göre RANS, URANS, hibrit RANS/LES, LES ve DNS şeklindedir. Yeni model çerçevesinde, turbulans modelleri hesaplamalı doğruluğa göre RANS, VLES ve DNS olacak şekilde gruplandırılır. Yani, VLES yöntemi, birden fazla geleneksel turbulans modelini tekilleştirir ve farklı modeller gerçek hesaplamalar sırasında yerel özelliklere göre adapte olarak pürüzsüz geçiş ve dönüşüm sağlar.

Yakıtıma odasında tipik fiziksel süreçlerin simülasyonu

Çok güçlü dolu akışının Çok Büyük Eddy Simülasyonu

Bir hava aracı motörü yakıtıma odası genellikle çok aşamalı dolu ve güçlü dolu gibi akış alan organizasyon formlarını kullanır. Dolu akışı, yakıtıma odasında en temel akış formudur. Dolu hem akış yönünde hem de teğetsel yönde hakim olduğundan, dolu turbulent pulsasyonunun geleneksel boru akışı, kanal akışı ve jet akışından daha güçlü anizotropik特性 gösterir. Bu nedenle, dolunun sayısal simülasyonu, turbulent simülasyon yöntemine büyük bir zorluk sunar. Xia ve ark. VLES yöntemi kullanarak boruda klasik güçlü dolu akış örneğini hesapladı; Dellenback ve ark. [14] bu örnekte akış alanı deneyleri yaptı ve ayrıntılı deneysel verilere sahiptir. Hesaplanan örneğin akış Reynolds sayısı 1.0'dur. × 105 (yuvarlak borunun çapına dayalı) ve dönel sayı 1.23'tür. Hesaplama için iki tane yapılandırılmış ızgara kullanılmaktadır. Seyrek ızgaraların (M1) toplam sayısı yaklaşık 900.000'dir ve şifrelenmiş ızgaraların (M2) toplam sayısı yaklaşık 5,1 milyondur. Hesaplama ile elde edilen istatistiksel an sonuçları, VLES yönteminin hesaplama doğruluğunu doğrulamak için deneysonuçları ile daha da karşılaştırılır.

Farklı yöntemlerin hesap sonuçlarının ve farklı akış mevkiilerinde çevrimsel ortalama hız ve dalgalı hızın radyal dağılımının deneysel sonuçlarının karşılaştırması, güçlü dolu akış altında Şekil 4'te gösterilmiştir. Şekilde, yatay ve dikey koordinatlar boyutsuz mesafe ve boyutsuz hızdır, burada D1 girdi çemberi borunun çapıdır ve Uin giriş ortalama hızıdır. Şekilden görülebileceği gibi, akım alanı tipik bir Rankin-benzeri bileşik virülöze tek bir katı cisim virülözüne geçiş yapmaktadır. Hesaplama ve deneysel sonuçları karşılaştırdığımızda, VLES yönteminin güçlü dolu akış için çevrimsel hızın tahmininde yüksek bir hesap doğruluğu olduğu ve deneysonu ölçümlerin dağılımıyla iyi uyum sağladığı görülmektedir. Geleneksel RANS yöntemi, dolu akışının hesabı için çok büyük sapmalara sahip olup, dolu akım alanının uzaysal evrimini ve dalgalı salınımları doğru şekilde tahmin edemez. Karşılaştırma sonucunda, kompleks güçlü dolu akış altında ortalama hız alanı, dalgalı hız alanı ve uzaysal evrimin tahmininde VLES yöntemi çok yüksek bir doğruluk göstermektedir ve hatta nispeten seyrek bir ızgara çözünürlüğüde yüksek bir hesap doğruluğu garanti edebilmektedir. Çevrimsel ortalama hızın tahmininde, VLES yönteminin iki farklı seyrek ve yoğun ızgara çözünürlükleri için hesap sonuçları temel olarak tutarlıdır.

Turbulent Yandırma'nın Büyük Eddy Benzetimi

VLES yönteminin turbulent yandırma problemlerini tahmin etmek için kullanılabilirliğinin incelenmesi amacıyla [15-16], VLES yöntemi ile flamanet üretilen manifoldlar (FGM) ile birleştirilmiş bir turbulent yandırma modeli geliştirildi. Temel fikir, turbulent alevin yerel olarak bir boyutlu laminar alev yapısı taşımak olduğunu ve turbulent alev yüzeyinin, bir dizi laminar alev yüzeyinin küme ortalaması olduğunu varsaymaktır. Bu nedenle, yüksek boyutlu bileşen uzayı, karışım oranı, reaksiyon ilerleme değişkeni gibi birkaç karakteristik değişkenden oluşan düşük boyutlu bir akış deseniye haritalanabilir. Detaylı reaksiyon mekanizmasını göz önüne aldığımız koşullarda, çözülmek üzere olan taşıma denklemlerinin sayısı büyük ölçüde azaltılır ve bu da hesaplama maliyetini önemli ölçüde düşürür.

Belirli uygulama süreci, karışım oranına ve reaksiyon ilerleme değişkenlerine dayalı FGM katmanlı veri tablosu oluşturmak, türbülanslı yanma arasındaki etkileşimi olasılık yoğunluk fonksiyonu yöntemini kabul ederek katmanlı veri tablosunu entegre etmek ve böylece türbülanslı veri tablosunu elde etmektir. Sayısal hesaplamada, karışım oranı, reaksiyon ilerleme değişkenleri ve bunlara karşılık gelen varyansların taşıma denklemleri çözülür ve yanma alan bilgisi, türbülanslı veri tablosuna sorgu yaparak elde edilir.

VLES ve FGM tabanlı turbulent yanma modeli, ABD'deki Sandia laboratuvarı tarafından ölçülen metan/hava turbulent jet alevi (Flame D) üzerinde sayısal hesaplamalar yapmak için kullanıldı ve deneysel ölçüm verileriyle nicel karşılaştırmalar yapıldı. Sandia Flame D örneğindeki yakıt malzemesi (Reynolds sayısı 22400), metan ve hava arasındaki hacim oranı 1:3 olan tam bir karışım, yakıt giriş hızı yaklaşık 49.9 m/s ve uyanık hızı yaklaşık 11.4 m/s'dir. Görevli alev, yanmış metan ve hava karışımıdır ve uyanık malzemesi saf havadır. Hesaplama için yapılandırılmış bir ızgara kullanılır ve toplam ızgara sayısı yaklaşık 1.9 milyondur.

Farklı bileşenlerin ortalama kütle kesirinin eksen boyunca dağılımı Şekil 5'te gösterilmektedir. Şekilde yatay ve dikey koordinatlar, boyutsuz uzaklık (D2, giriş jet borusunun çapıdır) ve boyutsuz kütle kesiri olarak verilmiştir. Şekilden görülebileceği gibi, yanma sürecinin ana bileşenlerinin VLES yöntemiyle tahmini genellikle deneysel sonuçlarla iyi uyum göstermektedir. Karışım kesirinde farklı akış yönlerindeki sıcaklığın dağılım eğilimi Şekil 6'da gösterilmiştir. Şekilden anlaşılabileceği gibi, VLES yöntemi tarafından tahmin edilen dağılım eğilimi temelde deneysel sonuçlarla uyumlu olup, yalnızca hesaplanan sıcaklık maksimum değeri deneysel değere göre biraz daha yüksektir. VLES tarafından hesaplanan anlık vortisite, sıcaklık ve çözünürlük kontrol fonksiyonunun dağılımı Şekil 7'de gösterilmiştir; burada katı çizgi Zst=0.351 olarak alınmıştır. Şekilden görülebileceği gibi, çekirdek jet alanı güçlü turbulent salınım sergilemektedir ve akış sahası aşağı akımla gelişirken, turbel yapının ölçeği gradually artmaktadır. Şekil 7(b) ve (c)'den görülebileceği gibi, çoğu kimyasal tepkimeler alanında çözünürlük kontrol fonksiyonu 0 ile 1 arasında değişmektedir. Bu, yerel ızgara çözünürlüğünün büyük ölçekli turbulansları yakalamaya yeteerli olduğunu ve sadece küçük ölçekli turbulansları model aracılığıyla simüle ettiğini göstermektedir. Bu durumda, VLES yaklaşık olarak büyük eddy simülasyon çözüm modu olarak davranmaktadır. Jet kesme tabakası ve aşağı akım alevin dış kenarında, çözünürlük kontrol fonksiyonu 1'e yakındır. Bu, hesaplama ızgarasının kesilmiş filtre ölçeğinin yerel turbulans ölçeğinden daha büyük olduğunu göstermektedir. Bu durumda, VLES düzensiz Reynolds ortalaması çözüm modu olarak davranmaktadır. Genel olarak, VLES yönteminin, turbel yapı evriminin gerçek zamanlı özelliklerine göre birden fazla turbulans çözüm modunu dönüştürebildiği ve turbulent alevlerdeki düzensiz yanma süreçlerini doğru şekilde tahmin edebildiği görülmektedir.

Tam atomizasyon sürecinin büyük eddy benzetimi

Bir hava aracı motorunun yanma odasında kullanılan yakıtın çoğu sıvı yakıttır. Sıvı yakıt yanma odasına girer ve birincil atomizasyon ve ikincil atomizasyon süreçlerine tabi olur. Sıvı yakıtın tam atomizasyon sürecini simgelemede birçok zorluk bulunmaktadır, bu da gaz-sıvı iki faz topolojik arayüz yapılandırmasının yakalanması, sıvı sütununun deformasyonu ve kırılması, sıvı bandlarının ve filamanların damlatılara bölünmesi evrimi ve türbülans akımı ile damlacıklar arasındaki etkileşim içermektedir. Huang Ziwei [19], VLES yöntemiyle DPM-VOF hibrit atomizasyon hesap yöntemini birleştirerek sürekli sıvıdan ayrık damlacıklara kadar olan yakıt atomizasyonunun tam süreçli sayısal simülasyonunu gerçekleştiren bir model geliştirdi.

Yeni geliştirilmiş bir atomizasyon süreç simülasyon modeli, klasik lateral akış sıvı sütun atomizasyon süreci için yüksek hassasiyetli sayısal hesaplamalar yapmak üzere kullanılmış ve açık literatürdeki deneysel sonuçlar [20] ile büyük eddy simülasyonu hesap sonuçları [21] ile ayrıntılı bir karşılaştırma yapılmıştır. Hesap örneğinde, gaz fazı sırasıyla 77,89 ve 110,0 m/s hızlarındaki hava olup, sıvı fazı ise 8,6 m/s hızındaki sıvı sudur. Karşılık gelen Weber sayıları sırasıyla 100 ve 200'dür. İkincil bölünme sürecini daha iyi simüle etmek amacıyla, bölünme modelinde Kelvin-Helmholtz ve Rayleigh-Taylor (KHRT) modeli kullanılmaktadır.

VLES'in Weber sayısı 100 koşulu altında tahmin ettiği tamamen atomleştirme süreci Şekil 8'de gösterilmiştir. Şekilden görülebileceği gibi, başlangıç bölgesinde sıvı sütunun ince bir tabakası oluşur, ardından bu sütun aerodinamik kuvvet etkisiyle sıvı bandlarına ve filollerine ayrılır ve daha sonra damlacıklara bölünür; bu damlacıklar ise ikincil bölünme yoluyla daha küçük damlacıklara ayrılır. VLES tarafından Weber sayısı 100 koşulu altında hesaplanan akım hızı ve genişlemeye göre vortisite dağılımı Şekil 9'da gösterilmiştir. Şekilden görülebileceği gibi, sıvı sütunun rüzgarın tersinden olduğu tarafta tipik bir düşük-hızlı geri döngü bölgesi bulunmaktadır. Anlık vortisite dağılımından, sıvı sütunun rüzgarın tersinden olduğu tarafta güçlü bir virülans yapısı olduğunu görebiliriz ve düşük hızlı geri döngü bölgesindeki güçlü turbulent hareketler, sıvı sütununun tabakasının kopmasına ve damlacıkların oluşmasına katkıda bulunur.

Sıvı sütunu farklı Weber sayıları altında parçalanmaya başladığında, ilk jet çapı ile sıvı jetinin minimum akış boyutu arasındaki oran Şekil 10'da gösterilmiştir. Şekilde, di, sıvı sütununun parçalanmaya başladığı anda sıvı jetinin minimum akış boyutudur ve D3, ilk sıvı jeti çaptır. Şekilden görülebileceği gibi, VLES hesap sonuçları deney sonuçlarıyla iyi bir uyum göstermektedir ve bu, literatürdeki büyük eddy simülasyonu hesap sonuçlarından daha iyidir [21].

Yakıt İstikrarsızlığı Çok Büyük Eddy Simülasyonu

Düşük emisyon gereksinimlerini karşılamak için, sivil hava taşıtları yakıt odaları genellikle önceden karıştırılmış veya kısmen önceden karıştırılmış zayıf yanma ile tasarlanır. Ancak, zayıf önceden karıştırılmış yanma, kötü istikrarlıdır ve termoakustik olarak bağlı osilasyon yanma modlarını tetiklemeye eğilimlidir, bu da yanma istikrarsızlığına neden olur. Yanma istikrarsızlığı çok tahripkarlıdır ve geriyanma ve katı deformasyon gibi problemlerle eşlik edebilir, bu da yakıt odası tasarımı tarafından karşı karşıya olduğu belirgin bir sorundur.

Yanma istikrarsızlığının sayısal hesaplanması iki kategoriye ayrılabilir: ayırma yöntemi ve doğrudan bağlı yöntem. Ayırmalı yanma istikrarsızlığı tahmin yöntemi, değişken yanma ve akustik çözümleri birbirinden ayırır. Değişken yanma, güvenilir bir alev açıklaması fonksiyonu oluşturmak için büyük miktarda sayısal hesaplama örneği gerektirir. Büyük eddy simülasyonu hesaplama yöntemi kullanılırsa, bu işlem kaynak tüketimi çok yüksektir. Doğrudan bağlı hesaplama yöntemi, sıkıştırılabilir çözüm yöntemi üzerine kuruludur ve yüksek hassasiyetli değişken hesaplamayla yanma istikrarsızlığının sonucunu doğrudan elde eder, yani belirlenen çalışma koşulları altında aynı hesaplama çerçevesinde değişken yanma ve akustiğin tek seferde bağlı hesaplanmasını tamamlar.

Yakıma dair numerik simülasyonun istikrarsızlık ayrıştırılması çalışmasında, Huang ve ark. [27] VLES yöntemi ile kalınlaştırmış alev hesaplaması yöntemini birleştiren bir yakıma istikrarsızlığı hesaplama modeli geliştirdi ve ses uyarımı altında olanaksa yakma sürecinin doğru tahminini gerçekleştirdi. Hesap örneği, Cambridge Üniversitesi tarafından geliştirilen bir düzgün cisimli duraklı etilen/hava tam önceden karışmış alevi içerir, bu alevin eşdeğer oranı 0.55 ve Reynolds sayısı yaklaşık 17000'dir. Ses uyarımı altında olansal alev dinamik özelliklerinin VLES hesap sonuçları ile deney sonuçlarının karşılaştırması Şekil 12'de gösterilmiştir. Şekilden görülebileceği gibi, giriş uyarımı sırasında alev iç ve dış kesme katmanlarında yuvarlanır ve ters yönde dönen bir vorteks çiftine dönüşür. Bu süreçte, mantar şekilli alev profili evolüsyonu faz açısı değişimiyle devam eder. VLES hesap sonuçları, deneyde gözlenen alev evolüsyon özelliklerini iyi şekilde yeniden üretmektedir. Farklı hesap yöntemleri ve deney ölçümleriyle elde edilen 160 Hz ses uyarımı altındaki ısı salınım oranının amplitudu ve faz farkı karşılaştırması Şekil 13'te gösterilmiştir. Şekilde Q' ve Q ͂ yanma sürecinin pulsatif ve ortalama ısı salımıdır, A ise sinüzoidal akustik uyaranın amplitududur ve Şekil 13 (b)'deki ordinat yanma sürecindeki geçici ısı salım sinyali ile giriş hızı uyaran sinyali arasındaki faz farkıdır. Şekilden görülebileceği gibi, VLES yönteminin tahmin doğruluğu büyük eddy simülasyonunun [28] doğruluğuna eşdeğerdir ve her ikisi de deneysel değerlerle iyi bir şekilde uyuşmaktadır. Olsa ki, istikrarlı olmayan RANS yöntemi nonlineer yanıtın eğilimini tahmin edebilse de, hesaplanan nicel sonuçlar deneysel değerlerden büyük ölçüde sapmaktadır. Faz farkı sonuçları için (Şekil 13 (b)), VLES yöntemi tarafından tahmin edilen faz farkının bozulma amplitudu ile olan eğimi genellikle deneysel sonuçlarla tutarlıdır, ancak büyük eddy simülasyonu yukarıdaki eğimi iyi tahmin edemedi.