Прогрес дослідження аеродинамічних характеристик камери згоряння авіаційного двигуна на основі моделювання великих вихрів

Прогрес дослідження аеродинамічних характеристик камери згоряння авіаційного двигуна на основі моделювання великих вихрів

Камера згоряння є одним із основних компонентів авіаційного двигуна, а аеродинамічні характеристики камери згоряння відіграють важливу роль у роботі всього двигуна. Щоб відповідати все більш жорстким технічним вимогам двигуна до камери згоряння, режим організації згоряння та характеристики потоку всередині камери згоряння стали дуже складними. Процес уповільнення та підвищення тиску дифузора може призвести до розділення потоку під сильним несприятливим градієнтом тиску; повітряний потік проходить через багатоступінчастий завихрювач з утворенням великомасштабної вихрової структури, яка, з одного боку, сприяє розпиленню і випаровуванню рідкого палива і утворює з паливом сильно пульсуючу, непостійну суміш, а з іншого боку, створює нерухоме полум'я в зоні аеродинамічної рециркуляції; кілька струменів основного отвору для згоряння/змішування взаємодіють із бічним потоком у жаровій трубі, утворюючи вихрову пару, що обертається протилежно, що має важливий вплив на турбулентне змішування. На основі потоку багатомасштабні фізичні та хімічні процеси, такі як атомізація та випаровування, змішування, хімічна реакція та взаємодія між турбулентністю та полум’ям, сильно пов’язані між собою, що разом визначає аеродинамічні характеристики камери згоряння. Високоточне моделювання та розрахунок цих фізико-хімічних процесів завжди були гарячою темою досліджень у країні та за кордоном.

Процеси розпилення, випаровування, змішування та згоряння в камері згоряння розвиваються та розвиваються в середовищі турбулентного потоку, тому потік є основою для моделювання аеродинамічних характеристик камери згоряння. Основна характеристика турбулентності полягає в тому, що параметри потоку демонструють випадкову пульсацію внаслідок нелінійного процесу конвекції. Турбулентність містить багато вихрових структур. Розмахи різних вихорів у масштабах довжини та часу величезні, і зі збільшенням числа Рейнольдса проміжки між масштабами різко збільшуються. Відповідно до частки турбулентних вихрових структур, які безпосередньо вирішуються, моделювання турбулентності методи поділяються на пряме чисельне моделювання (DNS), усереднене за Рейнольдсом Нав’є-Стокса (RANS), моделювання великих вихрів (LES) і методи моделювання змішаної турбулентності. Метод RANS, який широко використовується в техніці, розв’язує середнє турбулентне поле та використовує модель для імітації всієї інформації про турбулентні пульсації. Сума розрахунку невелика, але точність низька. Для сильного завихрення і нестаціонарних процесів потоку в камері згоряння RANS не може задовольнити вимоги вдосконаленої конструкції. Пітч зазначив, що обчислювальна складність LES знаходиться між RANS і DNS і в даний час використовується для розрахунків турбулентного горіння в необмежених просторах із середніми і низькими числами Рейнольдса. Через малий масштаб турбулентності в пристінковій зоні камери згоряння та високе число Рейнольдса потоку, кількість сіток, необхідних для розрахунку LES лише однієї головки камери згоряння, становить сотні мільйонів до мільярдів. Таке високе споживання обчислювальних ресурсів обмежує широке використання LES у моделюванні камери згоряння.

Створення високоточних розрахункових моделей і методів на основі моделювання дуже великих вихрів (VLES) і гібридного методу RANS-LES є важливою тенденцією в чисельному моделюванні. Метод VLES, розроблений Han et al. вирішує проблему низької обчислювальної ефективності, спричинену фільтрацією масштабу сітки та вирішенням обмежень на узгодження масштабу турбулентності в традиційних LES, і реалізує моделювання зв’язку між багатомасштабними характеристиками турбулентності, характеристиками перехідної еволюції та роздільною здатністю сітки. , VLES адаптивно регулює співвідношення між рішенням турбулентності та моделюванням моделі на основі характеристик еволюції вихрової структури в реальному часі, значно знижуючи обчислювальні витрати, забезпечуючи при цьому точність розрахунків.

Тим не менш, порівняно з традиційним LES, теорія та характеристики VLES не були широко вивчені та використані. У цьому документі систематично представлено теорію моделювання VLES та ефекти його застосування в різних фізичних сценаріях, пов’язаних із камерами згоряння, сприяючи широкомасштабному застосуванню VLES у галузі моделювання камери згоряння авіаційних двигунів.

Метод симуляції великих вихрів

Вплив методів моделювання турбулентності на споживання обчислювальних ресурсів і моделі показано на рисунку 1. Усі методи RANS, LES і VLES забезпечують моделювання потоку за допомогою моделювання турбулентності. Слід зазначити, що найбільш раннє чітке визначення VLES було дано Поупом, який посилається на те, що «масштаб обчислювальної сітки є занадто грубим, так що турбулентна кінетична енергія, яка безпосередньо визначається, становить менше 80% від загальної турбулентної кінетичної енергії». У той же час, значення LES, дане Поупом [6], полягає в тому, що «обчислювальна сітка є дуже тонкою, так що турбулентна кінетична енергія, яка безпосередньо визначається, перевищує 80% від загальної турбулентної кінетичної енергії». Тим не менш, слід зазначити, що VLES, представлений у цій статті, є новим обчислювальним методом, який був перероблений і розроблений на основі попереднього методу. Хоча назви однакові, новий метод VLES істотно відрізняється від методу VLES, визначеного Поупом. Як видно з малюнка, традиційними режимами турбулентності є RANS, URANS, гібридний RANS/LES, LES і DNS у порядку точності розрахунку. У рамках нової моделі режими турбулентності поділяються на RANS, VLES і DNS у порядку точності розрахунку. Тобто метод VLES реалізує об’єднання кількох традиційних режимів турбулентності, а різні моделі адаптивно переходять і перетворюють плавно відповідно до локальних характеристик у фактичних розрахунках.

Моделювання типових фізичних процесів в камері згоряння

Симуляція дуже великого вихру сильного закрученого потоку

Камера згоряння авіаційного двигуна зазвичай приймає такі форми організації поля потоку, як багатоступеневе завихрення та сильне завихрення. Вихровий потік є основною формою потоку в камері згоряння. Оскільки завихрення домінує як у напрямку потоку, так і в тангенціальному напрямку, турбулентна пульсація завихрення має сильнішу анізотропію, ніж традиційний потік у трубі, каналі та струменевий потік. Таким чином, чисельне моделювання завихрення створює велику проблему для методу моделювання турбулентності. Ся та ін. використовував метод VLES для розрахунку прикладу класичного сильного завихрення в трубі; Dellenback та ін. [14] провели польові експерименти на цьому прикладі та мають детальні експериментальні дані. Число Рейнольдса потоку в розрахунковому прикладі дорівнює 1.0×105 (на основі діаметра круглої труби), а число завихрення дорівнює 1.23. У розрахунку використовуються два набори структурованих сіток. Загальна кількість розріджених сіток (M1) становить близько 900,000 2, а загальна кількість зашифрованих сіток (M5.1) становить близько XNUMX мільйона. Результати статистичного моменту, отримані шляхом розрахунку, далі порівнюються з результатами експерименту для перевірки точності розрахунку методу VLES.

Порівняння результатів розрахунків різними методами та експериментальних результатів радіального розподілу окружної середньої швидкості та пульсуючої швидкості в різних положеннях вниз за течією при сильному закрученому потоці показано на рисунку 4. На малюнку горизонтальна та вертикальна координати є безрозмірною відстанню та безрозмірною швидкістю відповідно, де D1 – діаметр вхідної круглої труби, а Uin – середня швидкість на вході. Як видно з малюнка, поле течії показує типовий складний вихор, подібний до Ренкіна, який поступово переходить в єдиний вихор твердого тіла. Порівнюючи результати розрахунку та експерименту, можна виявити, що метод VLES має високу точність розрахунку для прогнозу окружної швидкості сильного закрученого потоку, що добре узгоджується з розподілом експериментальних вимірювань. Традиційний метод RANS має дуже велике відхилення в розрахунку завихрення і не може правильно передбачити просторову еволюцію поля завихрення та турбулентну пульсацію. Для порівняння, метод VLES має дуже високу точність у прогнозуванні поля середньої швидкості, пульсуючого поля швидкості та просторової еволюції під час складного сильного закрученого потоку, і все ще може гарантувати високу точність розрахунку навіть за відносно розрідженої сітки. Для прогнозування середньої окружної швидкості результати розрахунку методу VLES в основному узгоджені для двох наборів роздільної здатності розрідженої та щільної сітки.

Симуляція великого вихру турбулентного горіння

Для того, щоб вивчити можливість використання методу VLES для прогнозування проблем турбулентного горіння [15-16], була розроблена модель турбулентного горіння, заснована на методі VLES у поєднанні з колекторами, створеними вламками (FGM). Основна ідея полягає в припущенні, що турбулентне полум’я має локальну одновимірну ламінарну структуру полум’я, а поверхня турбулентного полум’я є середнім по ансамблю серії поверхонь ламінарного полум’я. Таким чином, простір компонентів високої розмірності може бути відображено в структуру потоку низької розмірності, що складається з кількох характерних змінних (частка суміші, змінна прогресу реакції тощо). За умови розгляду детального механізму реакції кількість рівнянь переносу, які необхідно розв’язати, значно зменшується, що значно знижує обчислювальну вартість.

Конкретний процес впровадження полягає в тому, щоб побудувати таблицю ламінарних даних FGM на основі фракції суміші та змінних ходу реакції, розглянути взаємодію між турбулентним горінням, припустивши метод функції щільності ймовірності для інтеграції таблиці ламінарних даних, і таким чином отримати таблицю турбулентних даних. У числовому розрахунку розв’язуються рівняння переносу фракції суміші, змінні ходу реакції та відповідна дисперсія, а інформація про поле згоряння отримується шляхом запиту до таблиці турбулентних даних.

Модель турбулентного горіння, заснована на VLES і FGM, використовувалася для чисельних розрахунків турбулентного реактивного полум’я метан/повітря (Flame D), виміряного лабораторією Sandia у Сполучених Штатах, і було проведено кількісне порівняння з експериментальними даними вимірювань. Паливний матеріал прикладу Sandia Flame D (число Рейнольдса 22400) являє собою повну суміш метану та повітря з об’ємним співвідношенням 1:3, швидкість палива на вході становить приблизно 49.9 м/с, а швидкість сліду – приблизно 11.4 м/с. Основним полум'ям є суміш спаленого метану та повітря, а матеріалом сліду є чисте повітря. Для розрахунку використовується структурована сітка, а загальна кількість сіток становить близько 1.9 мільйона.

Розподіл середньої масової частки різних компонентів уздовж осі показано на рисунку 5. Горизонтальна та вертикальна координати на малюнку — безрозмірна відстань (D2 — діаметр вхідної струйної труби) та безрозмірна масова частка відповідно. З рисунку видно, що прогнозування основних складових процесу горіння методом VLES в цілому добре узгоджується з експериментальними результатами. Розсіяний розподіл температури в різних положеннях нижче за потоком у просторі фракцій суміші показано на малюнку 6. З малюнка видно, що тенденція розсіяного розподілу, передбачена методом VLES, в основному узгоджується з експериментальними результатами, і лише розраховане екстремальне значення температури трохи вище експериментального значення. Розподіл миттєвої функції керування завихреністю, температурою та роздільною здатністю, розрахованої за допомогою VLES, показано на рисунку 7, де суцільна лінія взята як Zst=0.351. На малюнку видно, що зона основного струменя демонструє сильну турбулентну пульсацію, і в міру розвитку поля потоку вниз за течією масштаб вихрової структури поступово збільшується. Як видно з рисунка 7 (b) і (c), у більшості областей хімічних реакцій функція контролю роздільної здатності знаходиться між 0 і 1, що вказує на те, що локальна роздільна здатність сітки може вловлювати великомасштабну турбулентність і моделювати лише дрібномасштабну турбулентність за допомогою моделі. У цей час VLES поводиться як наближений режим моделювання великих вихрів. У шарі зсуву струменя та на зовнішньому краю полум’я, що йде внизу, функція керування роздільною здатністю близька до 1, що вказує на те, що усічений масштаб фільтра обчислювальної сітки більший, ніж локальний масштаб турбулентності. У цей час VLES поводиться як нестаціонарний режим середнього рішення Рейнольдса. Підводячи підсумок, можна побачити, що метод VLES може реалізувати трансформацію декількох режимів вирішення турбулентності відповідно до характеристик еволюції вихрової структури в реальному часі та може точно передбачити нестаціонарний процес горіння в турбулентному полум’ї.

Велике вихрове моделювання повного процесу розпилення

Більшість палива, що використовується в камері згоряння авіаційного двигуна, є рідким. Рідке паливо надходить у камеру згоряння і проходить процеси первинного розпилення та вторинного розпилення. Існує багато труднощів у моделюванні повного процесу розпилення рідкого палива, включаючи захоплення двофазної топологічної конфігурації розділу газ-рідина, деформацію та розрив стовпа рідини, еволюцію розпаду смуг рідини та ниток рідини на краплі та взаємодію між турбулентним потоком і краплями. Huang Ziwei [19] розробив повну імітаційну модель процесу розпилення на основі методу VLES у поєднанні з гібридним методом розрахунку розпилення VOFDPM, реалізуючи чисельне моделювання повного процесу розпилення палива від суцільної рідини до дискретних крапель.

Нещодавно розроблена імітаційна модель процесу розпилення була використана для виконання високоточних чисельних розрахунків класичного процесу розпилення стовпа рідини бічного потоку, а також було проведено детальне порівняння з експериментальними результатами у відкритій літературі [20] та результатами розрахунку моделювання великих вихрів [21]. У розрахунковому прикладі газовою фазою є повітря зі швидкостями 77.89 і 110.0 м/с відповідно, а рідкою фазою є рідка вода зі швидкістю 8.6 м/с. Відповідні числа Вебера дорівнюють 100 і 200 відповідно. Щоб краще імітувати вторинний процес розпаду, модель розпаду приймає модель Кельвіна-Гельмгольца і Релея-Тейлора (KHRT).

Повний процес розпилення, передбачений VLES за умовою числа Вебера 100, показаний на малюнку 8. Як видно з малюнка, тонкий лист стовпа рідини утворюється в початковій області, а потім стовп рідини розпадається на смуги рідини та нитки рідини та розпадається на краплі під дією аеродинамічної сили, і краплі далі розбиваються на більш дрібні краплі шляхом вторинного розпаду. Швидкість потоку та розподіл завихреності по розмаху, розраховані VLES за умовою числа Вебера 100, показані на малюнку 9. Як видно з малюнка, існує типова низькошвидкісна зона рециркуляції з підвітряного боку стовпа рідини. З миттєвого розподілу завихреності можна виявити, що підвітряна сторона стовпа рідини демонструє сильну вихрову структуру, а сильний турбулентний рух у зоні рециркуляції з низькою швидкістю сприяє розриву листа стовпа рідини та утворенню крапель.

Відношення початкового діаметра струменя до мінімального розміру потоку струменя рідини, коли стовп рідини починає розпадатися під різними числами Вебера, показано на малюнку 10. На малюнку di — мінімальний розмір потоку струменя рідини, коли стовп рідини починає розпадатися, а D3 — початковий діаметр струменя рідини. На малюнку видно, що результати розрахунку VLES добре узгоджуються з експериментальними результатами, які кращі, ніж результати розрахунку симуляції великих вихрів у літературі [21].

Симуляція нестабільності горіння дуже великого вихру

Щоб задовольнити вимоги щодо низьких викидів, камери згоряння цивільних літаків зазвичай проектуються з попереднім або частково попереднім змішаним збідненим спалюванням. Однак збіднене згоряння з попередньою сумішшю має низьку стабільність і схильне до збудження режимів згоряння, пов’язаних з термоакустичними коливаннями, що призводить до нестабільності згоряння. Нестабільність горіння є дуже руйнівною та може супроводжуватися такими проблемами, як зворотне спалахування та тверда деформація, що є основною проблемою, з якою стикається конструкція камери згоряння.

Чисельний розрахунок нестабільності горіння можна розділити на дві категорії: метод роз’єднання та метод прямого зв’язку. Розв’язаний метод прогнозування нестабільності горіння роз’єднує нестаціонарне горіння та акустичні рішення. Нестаціонарне горіння вимагає великої кількості числових розрахункових зразків для створення надійної функції опису полум’я. Якщо використовується метод розрахунку симуляції великих вихрів, споживання обчислювальних ресурсів занадто велике. Метод розрахунку прямого зв’язку базується на методі розчину, що стискається, і безпосередньо отримує результат нестабільності горіння за допомогою високоточного нестаціонарного розрахунку, тобто процес розрахунку зв’язку нестаціонарного горіння та акустики за заданих робочих умов завершується одночасно в одній і тій же структурі розрахунку.

У дослідженні чисельного моделювання роз’єднання нестабільності горіння Huang et al. [27] розробили модель розрахунку нестабільності горіння на основі методу VLES у поєднанні з методом розрахунку згущення полум’я та досягли точного прогнозування нестаціонарного процесу горіння при акустичному збудженні. Прикладом розрахунку є стаціонарне повністю змішане полум’я етилен/повітря, розроблене Кембриджським університетом, із коефіцієнтом еквівалентності 0.55 і числом Рейнольдса приблизно 17000. Порівняння результатів розрахунку VLES та експериментальних результатів динамічних характеристик нестаціонарного полум’я при акустичному збудженні показано на малюнку 12. На малюнку видно, що під час входу У процесі збудження полум'я перекочується на внутрішньому та зовнішньому зсувних шарах і перетворюється на вихрову пару, що обертається протилежно. У цьому процесі еволюція грибоподібного профілю полум'я продовжує розвиватися зі зміною фазового кута. Результати розрахунку VLES добре відтворюють спостережувані в експерименті характеристики розвитку полум'я. Порівняння амплітуди та різниці фаз швидкості тепловиділення при акустичному збудженні частотою 160 Гц, отриманих різними методами розрахунку та експериментальних вимірювань, показано на малюнку 13. На малюнку Q' і Q͂ є пульсуючим тепловиділенням і середнім тепловиділенням горіння, відповідно, A є амплітудою синусоїдального акустичного збудження, а ордината на малюнку 13 (b) є різницею фаз між перехідним сигналом тепловиділення горіння при акустичному збудженні та сигналом збудження швидкості на вході. Як видно з малюнка, точність прогнозування методу VLES порівнянна з точністю моделювання великих вихрів [28], і обидва добре узгоджуються з експериментальними значеннями. Хоча нестаціонарний метод RANS передбачає тенденцію нелінійного відгуку, розраховані кількісні результати сильно відрізняються від експериментальних значень. Для результатів різниці фаз (рис. 13 (b)) тенденція різниці фаз, передбачена методом VLES з амплітудою збурень, в основному узгоджується з експериментальними результатами, тоді як результати моделювання великих вихрів погано передбачають вищезазначену тенденцію.