Дослідження прогресу в аеродинамічній ефективності камери згоряння літакового двигуна на основі великих едді-симуляцій

Дослідження прогресу в аеродинамічній ефективності камери згоряння літакового двигуна на основі великих едді-симуляцій

Камера згоряння є одним із ключових компонентів двигуна літака, і аеродинамічна ефективність камери згоряння грає вирішальну роль у продуктивності всього двигуна. Щоб задовольнити все більш суворі технічні вимоги двигуна до камери згоряння, організація процесу згоряння та поточні характеристики всередині камери стали дуже складними. Процес замедлення та стиснення у дифузорі може стикатися з відокремленням потоку під дією сильного неблагополучного тискового градієнту; повітряний потік проходить через багатоетапне завійне пристрій, що утворює великомасштабну завійну структуру, яка, з одного боку, сприяє атомізації та випаренню рідинного палива, утворюючи сильно пульсуючу, нестійку суміш з паливом, а з іншого — генерує стаціонарний пламінь у зоні аеродинамічної рециркуляції; багато чисельні струмені головного отвору для згоряння/замішування взаємодіють з бічним потоком у трубці пламені, утворюючи пару протилежних завій, що мають важливий вплив на турбулентне замішування. На основі потоку, багатомасштабні фізичні та хімічні процеси, такі як атомізація та випарення, замішування, хімічна реакція та взаємодія між турбуленцією та пламенем, сильно пов'язані, що спільно визначають аеродинамічні характеристики камери згоряння. Високоточне моделювання та обчислення цих фізичних та хімічних процесів завжди були популярною темою досліджень як в Україні, так і за кордоном.

Процеси атомізації, випарювання, змішування та згоряння у камері згоряння розвиваються і еволюціонують у середовищі турбулентного потоку, тому потік є основою для моделювання аеродинамічних характеристик камери згоряння. Основною характеристикою турбулентності є те, що параметри потоку показують випадкові пульсації через нелінійний процес конвекції. Турбулентність містить багато вихрових структур. Розміри різних вихрів у довжині та часових шкалах значно відрізняються, і зростання числа Рейнольдса призводить до гострої інтенсифікації розмірів між шкалами. За пропорцією турбулентних вихрових структур, які безпосередньо розв'язуються, симуляція турбулентності  методи діляться на пряму числову симуляцію (DNS), середньових метод Рейнольдса-Нав'є-Стокса (RANS), великодисперсну симуляцію (LES) та змішані методи симуляції турбулентності. Метод RANS, який широко використовується в інженерії, розв'язує середнє поле турбулентності та використовує модель для симуляції всієї інформації про турбулентні пульsaції. Обсяг обчислень невеликий, але точність низька. Для сильного завертання та нестійких потоків у камере спалювання RANS не може задовольняти вимогам детального проектування. Пітш вказав, що обчислювальна складність LES знаходиться між RANS та DNS, і зараз використовується для обчислень турбулентного спалювання в просторах без обмежень з середньою та низькою числом Рейнольдса. Завдяки малому масштабу турбулентності у приблизі до стінки камери спалювання та високій числі Рейнольдса потоку, кількість сіток, необхідних для обчислень LES лише для однієї головки камери спалювання, становить сотні мільйонів до мільярдів. Такий високий обсяг витрат обчислювальних ресурсів обмежує широке використання LES у симуляціях камери спалювання.

Створення моделей і методів високоточних обчислень на основі дуже великої симуляції вихорів (VLES) та гібридного методу RANS-LES є важливим трендом в чисельній симуляції. Метод VLES, розроблений Ханом та його колегами, вирішує проблему низької обчислювальної ефективності, яка виникає через фільтрацію масштабу сітки та вирішення обмежень згідності турбулентного масштабу в традиційній LES, і реалізує купування моделювання між багатомасштабними характеристиками турбулентності, транзитними еволюційними характеристиками та роздільною здатністю сітки. VLES адаптивно регулює співвідношення між турбулентним розв'язком і моделюванням на основі дійсних характеристик еволюції структури вихорів, значно зменшуючи обчислювальні витрати при забезпеченні точності обчислень.

Тим не менш, у порівнянні з традиційним методом LES, теорія та характеристики VLES досліджувалися і застосовувалися не так широко. У цій роботі систематично викладена теорія моделювання VLES та її ефекти застосування в різних фізичних сценаріях, пов'язаних з камерами спалювання, сприяючи широкомасштабному застосуванню VLES у галузі симуляції камер спалювання літаківих двигунів.

Метод великого вихрового моделювання

Показано вплив методів симуляції турбулентності на витрати обчислювальних ресурсів та моделей, які зображено на рисунку 1. Методи RANS, LES і VLES усі досягають симуляції потоку через моделювання турбулентності. Слід зауважити, що найраніше чітке визначення VLES було дане Попом, який посилається на «обчислювальну сітку, яка занадто груба, тому кінетична енергія турбулентності, яка безпосередньо розв'язана, становить менше 80% від загальної кінетичної енергії турбулентності». При цьому значення LES, дане Попом [6], є «обчислювальна сітка дуже точна, тому кінетична енергія турбулентності, яка безпосередньо розв'язана, становить більше 80% від загальної кінетичної енергії турбулентності». Незважаючи на це, слід зауважити, що VLES, представлений у цій статті, є новим обчислювальним методом, який був перебудований та розроблений на основі попереднього методу. Хоча назви однакові, новий метод VLES в сутності відрізняється від методу VLES, визначеного Попом. Як видно з рисунка, традиційні режими турбулентності у порядку обчислювальної точності є RANS, URANS, гібридний RANS/LES, LES і DNS. У межах нового моделювального каркасу режими турбулентності поділені на RANS, VLES і DNS у порядку обчислювальної точності. Іншими словами, метод VLES реалізує уніфікацію кількох традиційних режимів турбулентності, і різні моделі адаптивно переходять та перетворюються гладко відповідно до локальних характеристик під час фактичних обчислень.

Моделювання типових фізичних процесів у камері згоряння

Дуже велика симуляція вихорів сильного завихреного потоку

Камера згоряння літака зазвичай використовує форми організації потоку, такі як багатоетапне завихрення та сильне завихрення. Завихрений потік є найбазовішою формою потоку в камері згоряння. Оскільки завихрення домінує як в напрямку потоку, так і в дотичному напрямку, турбулентні пульсації завихрення мають більшу анізотропію, ніж традиційні трубчасті потоки, каналізовані потоки та струменеві потоки. Отже, чисельне моделювання завихрень ставить великий виклик для методів симуляції турбулентності. Ся і ін. використали метод VLES для обчислення класичного прикладу сильного завихреного потоку в трубі; Деленбек і ін. [14] провели експерименти з полем потоку на цьому прикладі та мають детальні експериментальні дані. Число Рейнольдса обчислюваного прикладу становить 1.0 × 105 (відповідає діаметру круглої труби) і число завитості дорівнює 1.23. Для обчислень використовуються два набори структурованих сіток. Загальна кількість розріджених сіток (M1) становить приблизно 900 000, а загальна кількість щільних сіток (M2) — приблизно 5,1 мільйонів. Результати статистичних моментів, отримані за допомогою обчислень, подальше порівнюються з експериментальними результатами для перевірки точності обчислень методу VLES.

Порівняння результатів розрахунків різними методами та експериментальних даних радіальної дистрибуції середньої обертальної швидкості та пульсаційної швидкості при різних положеннях за течією у випадку сильного завихреного потоку зображено на рисунку 4. На рисунку горизонтальні та вертикальні координати є безрозмірною відстанню та безрозмірною швидкістю відповідно, де D1 - це діаметр круглої входової трубки, а Uin - це середня входова швидкість. Як видно з рисунка, поле потоку демонструє типовий Rankin-подібний складений вихір, поступово переходячи до одиночного жорсткого вихоревого потоку. Порівнюючи результати розрахунків та експериментів, можна помітити, що метод VLES має високу точність розрахунку для передбачення обертальної швидкості сильного завихреного потоку, яка добре відповідає розподілу експериментальних вимірювань. Традиційний метод RANS має велике відхилення при розрахунку завихреного потоку і не може правильно передбачати просторову еволюцію поля завихреного потоку та турбулентних пульсацій. У порівнянні, метод VLES має дуже високу точність при передбаченні середнього поля швидкості, поля пульсаційної швидкості та просторової еволюції у складному сильному завихреному потоці, і навіть при відносно розріджених розшифровках сітки може гарантувати високу точність розрахунку. Для передбачення середньої обертальної швидкості результати розрахунків методом VLES практично збігаються при двох наборах розріджених та густих розшифровок сітки.

Симуляція великого едді турбулентного згоряння

Щоб вивчити можливість застосування методу VLES для прогнозування проблем турбулентного згоряння [15-16], була розроблена модель турбулентного згоряння, яка базується на методі VLES і поєднана з поверхнями, згенерованими фламеном (FGM). Основна ідея полягає в припущенні, що турбулентне плам'я має локальну структуру одновимірного ламінарного плам'я, а поверхня турбулентного плам'я є ансамблем середньої величини ряду ламінарних поверхонь плам'я. Таким чином, простір компонентів високої розмірності можна відобразити на паттерн потоку низької розмірності, складений з декількох характеристичних змінних (частка суміші, змінна прогресу реакції тощо). У разі врахування детального механізму реакції, кількість рівнянь переносу, які необхідно вирішити, значно зменшується, що значно зменшує обчислювальний витрати.

Процес конкретної реалізації полягає у побудові даних таблиці FGM для ламінарного шару на основі дробової мішанки та змінних ходу реакції, врахуванні взаємодії між турбулентним спалюванням за допомогою припущення методу функції ймовірності для інтеграції ламінарної таблиці даних, а отже, отриманні таблиці турбулентних даних. У числовому розрахунку вирішуються транспортні рівняння для дробової мішанки, змінних ходу реакції та відповідної дисперсії, а інформація про поле спалювання отримується шляхом запиту до таблиці турбулентних даних.

Модель турбулентного згорання, яка базується на VLES і FGM, була використана для проведення числових розрахунків щодо турбулентного струменевого пламеня метану/повітря (Flame D), виміряного лабораторією Sandia у США, і проведено кількісні порівняння з експериментальними даними. Паливний матеріал прикладу Sandia Flame D (число Рейнольдса 22400) є повною сумішшю метану і повітря з об'ємною відношенням 1:3, швидкість входження палива становить приблизно 49,9 м/с, а швидкість протиліта — приблизно 11,4 м/с. Пламя є сумішшю згорнутого метану і повітря, а протилітний матеріал є чистим повітрем. Обчислення проводяться за допомогою структурованої сітки, загальна кількість сіток становить приблизно 1,9 мільйонів.

Розподіл середньої масової частки різних компонентів вздовж осі показано на рисунку 5. Горизонтальні і вертикальні координати на рисунку є безрозмірною відстанню (D2 - це діаметр входового життя) і безрозмірною масовою часткою, відповідно. З рисунка видно, що прогноз головних компонентів процесу згоряння методом VLES загалом добре узгоджується з експериментальними результатами. Розсіяний розподіл температури на різних позиціях за течією у просторі суміші показано на рисунку 6. З рисунка видно, що тенденція розсіяного розподілу, передбачена методом VLES, базовий співпадає з експериментальними результатами, але лише обчислена екстремальна температура трохи вища за експериментальну. Розподіл мгновеної вихровості, температури та функції керування розв'язком, обчислених методом VLES, показано на рисунку 7, де тверда лінія приймається як Zst=0.351. З рисунка видно, що область ядро життя виступає з сильним турбулентним пульсаціями, і по мірі розвитку поля потоку за течією, масштаб вихрової структури поступово зростає. Як бачно з рисунка 7 (b) і (c), у більшості хімічних реакційних областей, функція керування розв'язком знаходиться між 0 і 1, що свідчить про те, що локальна сітка розв'язку може зафіксувати великі турбулентні масштаби і лише моделювати малі масштаби через модель. У цьому випадку VLES поводиться як наближене рішення режиму великих вихрів. У шарі життя та зовнішній граничній області плями за течією, функція керування розв'язком наближається до 1, що свідчить про те, що масштаб обрізаного фільтру обчислювальної сітки більший за локальний турбулентний масштаб. У цьому випадку VLES поводиться як несталий режим середнього рішення Рейнольдса. Підсумовуючи, можна побачити, що метод VLES може реалізувати перетворення кількох режимів розв'язку турбулентності відповідно до дійсних характеристик еволюції вихрової структури, і точньо прогнозувати несталий процес згоряння у турбулентних пламенах.

Симуляція великих вихрів повного процесу атомізації

Більшість палива, яке використовується у камере згоряння aviаційного двигуна, є рідинним паливом. Рідина потрапляє до камери згоряння і піддається процесам первинної та вторинної атомізації. Існує багато складностей при симуляції повного процесу атомізації рідинного палива, включаючи захоплення конфігурації топологічного інтерфейсу двофазної газ-рідина, деформацію та розрив стовпця рідини, еволюцію розпаду рідинних смужок та ниток на каплі, а також взаємодію між турбулентним потоком та каплями. Хуан Цзевей [19] розробив модель повної симуляції атомізації на основі методу VLES, поєднаного з гібридним методом обчислення атомізації VOFDPM, реалізувавши числову симуляцію всього процесу атомізації палива від неперервної рідини до дискретних капель.

Було використано новорозроблений моделювальний процес атомізації для проведення високоточних числових розрахунків класичного процесу атомізації бічного потоку стовпчика рідини, а також проведено детальне порівняння з експериментальними результатами у відкритій літературі [20] та результатами обчислень великого вихрового симулятора [21]. У прикладі обчислень газова фаза є повітрям з швидкостями 77,89 і 110,0 м/с відповідно, а рідка фаза є рідкою водою з швидкістю 8,6 м/с. Відповідні числа Weber дорівнюють 100 і 200 відповідно. Для кращого моделювання процесу другорядного розсіювання у моделі розсіювання використовується модель Kelvin-Helmholtz і Rayleigh-Taylor (KHRT).

Повний процес атомізації, передбачений VLES при умовах числа Вебера 100, показано на рисунку 8. Як видно з рисунка, у початковій області утворюється тонка плівка стовпчика рідини, після чого стовпчик рідини розламується на стрижні і нитки рідини, і розламується на краплі під дією аеродинамічної сили, а краплі подальше розламуються на менші краплі через другорядне розкол. Швидкість потоку та розподіл поперечної вихровості, обчислені VLES при умовах числа Вебера 100, показано на рисунку 9. Як видно з рисунка, на літковій стороні стовпчика рідини є типова зона повільного зворотнього течії. З миттєвого розподілу вихровості видно, що літкова сторона стовпчика рідини проявляє сильну вихрову структуру, і сильне турбулентне рухлення в зоні повільного зворотнього течії сприяє розриву аркуша стовпчика рідини та утворенню крапель.

Відношення початкового діаметра струменя до мінімальної розмірності потоку рідинного струменя, коли стовпець рідини починає розпадатися під різними числами Weber, показано на рисунку 10. На рисунку di є мінімальна розмірність потоку рідинного струменя, коли стовпець рідини починає розпадатися, а D3 - це початковий діаметр рідинного струменя. З рисунка видно, що результати обчислень VLES добре відповідають експериментальним результатам, які кращі, ніж результати обчислень великих вихорів з літератури [21].

Нестabilільність спалювання Супер великі вихори симуляція

Щоб відповісти на вимоги стосовно низьких викидів, камери згоряння цивільних літаків зазвичай проектуються з попереднім сумішуванням або частково попереднім сумішуванням бідного згоряння. Проте біде згоряння з попереднім сумішуванням має низьку стабільність і схильне до викликання термоакустично спряжених осциляційних режимів згоряння, що призводить до нестabilності згоряння. Нестабільність згоряння дуже разрушенна і може супроводжуватися проблемами, такими як повертання пламені назад (flashback) та деформація твердих матеріалів, що є видатною проблемою, з якою стикається проектування камери згоряння.

Числове моделювання нестabilності згоряння можна розділити на дві категорії: метод роз'єднання та метод безпосереднього з'єднання. Метод прогнозування нестabilності згоряння за допомогою роз'єднання роз'єднує нестабільне згоряння та акустичні розв'язки. Нестабільне згоряння вимагає велику кількість числових обчислювальних вибірок для побудови надійної функції опису пламені. Якщо використовувати метод великих вихрів, його витрати обчислювальних ресурсів будуть занадто великими. Безпосередній метод з'єднання базується на методі стисливої розв'язки і безпосередньо отримує результат нестabilності згоряння через високоточні нестабільні обчислення, тобто процес купування нестабільного згоряння та акустики при заданих умовах завершується один раз у межах однієї обчислювальної рамки.

У вивченні чисельного моделювання роз'єднання нестабільності згоряння, Хуанг і спів. [27] розробили модель обчислення нестабільності згоряння на основі методу VLES, поєднаного з методом товщення пламеня, і досягли точного прогнозування негармонійного процесу згоряння під акустичним стимулом. Приклад обчислень — це стаціонарне пламя етилену/повітря повністю передмішаної, розроблене Кембриджським університетом, з коефіцієнтом еквівалентності 0,55 і числом Рейнольдса близько 17000. Порівняння результатів обчислень VLES з експериментальними даними негармонійних динамічних характеристик пламеня під акустичним стимулом показано на рисунку 12. З рисунка видно, що під час входження стимуляції, пламя перекотується на внутрішньому і зовнішньому шарах обрізання і еволює у пару протилежно обертальних вихрів. У цьому процесі, еволюція грибоподібної форми пламеня продовжує розвиватися зміною фазового кута. Результати обчислень VLES добре відтворюють характеристики еволюції пламеня, спостережені в експерименті. Порівняння амплітуди і фазової розбіжності відгуку швидкості випуску тепла під акустичним стимулом частотою 160 Гц, отриманих різними методами обчислення та експериментальними вимірами, показано на рисунку 13. На рисунку Q' і Q ͂ відповідно пульсуюче випромінення тепла і середнє випромінення тепла від згоряння, A - амплітуда синусоїдального акустичного стимулювання, а ордината рисунка 13 (б) - це фазова відстань між тимчасовим сигналом випромінення тепла від згоряння під дією акустичного стимулювання та сигналом стимулювання швидкості на вході. Як бачно з рисунка, точність передбачення методу VLES порівнюється з точністю великих еддій симуляції [28], і обидва методи добре відповідають експериментальним значенням. Нехай нестабільний метод RANS передбачає тенденцію нелінійної відповіді, кількісні результати вирахувань відрізняються від експериментальних значень. Щодо результатів фазової відстані (рисунок 13 (б)), тенденція фазової відстані, передбачена методом VLES при амплітуді збурення, майже збігається з експериментальними результатами, тоді як результати великих еддій симуляції не добре передбачають вказану тенденцію.