Tiến bộ trong nghiên cứu về hiệu suất khí động học của buồng đốt động cơ máy bay dựa trên mô phỏng dòng lớn

Tiến bộ trong nghiên cứu về hiệu suất khí động học của buồng đốt động cơ máy bay dựa trên mô phỏng dòng lớn

Phòng đốt là một trong những thành phần cốt lõi của động cơ máy bay, và hiệu suất khí động học của phòng đốt đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của toàn bộ động cơ. Để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật ngày càng nghiêm ngặt của động cơ đối với phòng đốt, chế độ tổ chức đốt cháy và đặc điểm dòng chảy bên trong phòng đốt đã trở nên rất phức tạp. Quá trình giảm tốc và tăng áp của bộ khuếch tán có thể đối mặt với hiện tượng tách dòng dưới tác động của gradient áp suất nghịch mạnh; luồng không khí đi qua thiết bị xoáy nhiều tầng để tạo ra cấu trúc xoáy lớn, điều này vừa thúc đẩy quá trình phân mịn và bốc hơi nhiên liệu lỏng, hình thành hỗn hợp không ổn định, dao động mạnh với nhiên liệu, vừa tạo ra ngọn lửa tĩnh trong vùng tuần hoàn khí động học; các luồng phun chính của lỗ đốt/trộn lẫn tương tác với dòng chảy ngang trong ống ngọn lửa để hình thành cặp xoáy quay ngược, có ảnh hưởng quan trọng đến việc trộn lẫn turbulent. Dựa trên dòng chảy, các quy trình vật lý và hóa học đa thang như phân mịn và bốc hơi, trộn lẫn, phản ứng hóa học, và sự tương tác giữa turbulence và ngọn lửa được kết nối chặt chẽ, cùng nhau quyết định đặc trưng khí động học của phòng đốt. Việc xây dựng mô hình và tính toán chính xác các quy trình vật lý và hóa học này luôn là chủ đề nghiên cứu nóng bỏng trong và ngoài nước.

Các quá trình phân tán, bay hơi, trộn lẫn và đốt cháy trong buồng đốt phát triển và tiến hóa trong môi trường dòng chảy乱 lưu, vì vậy dòng chảy là cơ sở cho việc mô phỏng hiệu suất khí động học của buồng đốt. Đặc trưng cơ bản của乱 lưu là các tham số dòng chảy biểu hiện sự dao động ngẫu nhiên do quá trình đối lưu không tuyến tính.亂 Lưu chứa nhiều cấu trúc xoáy. Phạm vi của các xoáy khác nhau về quy mô độ dài và thời gian là rất lớn, và khi số Reynolds tăng lên, khoảng cách giữa các quy mô tăng nhanh. Dựa trên tỷ lệ các cấu trúc xoáy乱 lưu được giải trực tiếp, mô phỏng乱 lưu  các phương pháp được chia thành mô phỏng số trực tiếp (DNS), Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS), mô phỏng vó lớn (LES) và các phương pháp mô phỏng乱trituración hỗn hợp. Phương pháp RANS, được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật, giải quyết trường trung bình turbulent và sử dụng một mô hình để mô phỏng tất cả thông tin dao động turbulent. Lượng tính toán nhỏ, nhưng độ chính xác kém. Đối với dòng chảy xoáy mạnh và không ổn định trong buồng đốt, RANS không thể đáp ứng yêu cầu thiết kế tinh xảo. Pitsch chỉ ra rằng độ phức tạp tính toán của LES nằm giữa RANS và DNS, và hiện đang được sử dụng cho các phép tính cháy turbulent trong không gian không giới hạn có số Reynolds trung bình và thấp. Do quy mô nhỏ của turbulence ở khu vực gần tường của buồng đốt và số Reynolds cao của dòng chảy, lượng lưới cần thiết cho phép tính LES của một đầu buồng đốt đơn lẻ lên đến hàng trăm triệu đến hàng tỷ. Sự tiêu thụ tài nguyên tính toán cao như vậy hạn chế việc sử dụng rộng rãi LES trong mô phỏng buồng đốt.

Việc thiết lập các mô hình và phương pháp tính toán chính xác cao dựa trên khung công tác Very Large Eddy Simulation (VLES) và Hybrid RANS-LES Method là một xu hướng quan trọng trong mô phỏng số. Phương pháp VLES do Han và cộng sự phát triển giải quyết vấn đề hiệu suất tính toán thấp do việc lọc quy mô lưới và giải quyết sự khớp giữa quy mô乱 lưu trong LES truyền thống, đồng thời thực hiện mô hình ghép nối giữa đặc trưng đa quy mô của乱 lưu, đặc trưng tiến hóa tức thời và độ phân giải lưới. VLES điều chỉnh linh hoạt tỷ lệ giữa việc giải bài toán乱 lưu và xây dựng mô hình dựa trên đặc trưng thời gian thực của tiến hóa cấu trúc xoáy, giảm đáng kể chi phí tính toán trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác của phép tính.

Tuy nhiên, so với LES truyền thống, lý thuyết và đặc điểm của VLES chưa được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi. Bài báo này hệ thống hóa lý thuyết mô hình VLES và hiệu quả ứng dụng của nó trong các tình huống vật lý khác nhau liên quan đến buồng đốt, thúc đẩy ứng dụng quy mô lớn của VLES trong lĩnh vực mô phỏng buồng đốt động cơ máy bay.

Phương pháp Phép mô phỏng vẩn lớn

Ảnh hưởng của các phương pháp mô phỏng乱 lưu đối với việc tiêu thụ tài nguyên tính toán và các mô hình được thể hiện trong Hình 1. Các phương pháp RANS, LES và VLES đều đạt được mô phỏng dòng chảy thông qua việc mô hình hóa乱 lưu. Cần lưu ý rằng định nghĩa rõ ràng sớm nhất về VLES được đưa ra bởi Pope, điều này đề cập đến "mạng lưới tính toán quá thô nên năng lượng động乱 trực tiếp được giải quyết ít hơn 80% so với tổng năng lượng động乱". Đồng thời, ý nghĩa của LES mà Pope [6] đưa ra là "mạng lưới tính toán rất mịn để năng lượng động乱 trực tiếp được giải quyết lớn hơn 80% so với tổng năng lượng động乱". Tuy nhiên, cần lưu ý rằng VLES được giới thiệu trong bài viết này là một phương pháp tính toán mới đã được tái cấu trúc và phát triển dựa trên phương pháp trước đó. Mặc dù tên gọi giống nhau, phương pháp VLES mới về bản chất khác biệt với phương pháp VLES được định nghĩa bởi Pope. Có thể thấy từ hình ảnh, các chế độ乱 lưu truyền thống theo thứ tự độ chính xác tính toán là RANS, URANS, hybrid RANS/LES, LES và DNS. Dưới khung mô hình mới, các chế độ乱 lưu được chia thành RANS, VLES và DNS theo thứ tự độ chính xác tính toán. Nghĩa là, phương pháp VLES thực hiện sự thống nhất của nhiều chế độ乱 lưu truyền thống, và các mô hình chuyển đổi và chuyển giao mượt mà theo đặc điểm cục bộ trong các phép tính thực tế.

Phỏng đoán các quy trình vật lý điển hình trong buồng đốt

Phương pháp Phỏng đoán Rất Lớn về Vortex của Dòng chảy Swirling Mạnh

Buồng đốt của động cơ máy bay thường sử dụng các hình thức tổ chức trường dòng như multi-stage swirl và strong swirl. Dòng swirling là dạng dòng cơ bản nhất trong buồng đốt. Vì swirling chiếm ưu thế cả về hướng dòng và hướng tiếp tuyến, nên sự dao động turbulent của swirling có tính anisotropy mạnh hơn so với dòng truyền thống trong ống, kênh và dòng phun. Do đó, việc mô phỏng số dòng swirling đặt ra thách thức lớn đối với phương pháp mô phỏng turbulent. Xia và cộng sự đã sử dụng phương pháp VLES để tính toán ví dụ điển hình về dòng chảy swirling mạnh trong ống; Dellenback và cộng sự [14] đã tiến hành thí nghiệm trường dòng trên ví dụ này và có dữ liệu thí nghiệm chi tiết. Số Reynolds của dòng chảy được tính toán là 1.0 × 105 (dựa trên đường kính của ống tròn) và số swirl là 1.23. Hai bộ lưới cấu trúc được sử dụng trong tính toán. Tổng số lưới thưa thớt (M1) khoảng 900.000 và tổng số lưới mã hóa (M2) khoảng 5,1 triệu. Các kết quả momento thống kê thu được từ tính toán được so sánh thêm với kết quả thực nghiệm để xác minh độ chính xác của phương pháp VLES.

So sánh kết quả tính toán của các phương pháp khác nhau và kết quả thí nghiệm về phân bố bán kính của vận tốc trung bình theo chiều vòng tròn và vận tốc dao động tại các vị trí hạ lưu khác nhau dưới dòng chảy xoáy mạnh được thể hiện trong Hình 4. Trong hình, tọa độ ngang và dọc lần lượt là khoảng cách vô kích thước và vận tốc vô kích thước, trong đó D1 là đường kính của ống tròn đầu vào và Uin là vận tốc trung bình đầu vào. Có thể thấy từ hình rằng trường dòng chảy cho thấy một xoáy phức hợp điển hình kiểu Rankin dần chuyển sang một xoáy đơn cứng. So sánh giữa kết quả tính toán và thí nghiệm, có thể nhận thấy phương pháp VLES có độ chính xác tính toán cao trong việc dự đoán vận tốc theo chiều vòng của dòng chảy xoáy mạnh, phù hợp tốt với phân bố đo lường thí nghiệm. Phương pháp RANS truyền thống có sai lệch rất lớn trong tính toán dòng chảy xoáy và không thể dự đoán chính xác sự tiến hóa không gian của trường dòng chảy xoáy và dao động turbulent. Ngược lại, phương pháp VLES có độ chính xác rất cao trong việc dự đoán trường vận tốc trung bình, trường vận tốc dao động và sự tiến hóa không gian dưới dòng chảy xoáy mạnh phức tạp, và vẫn đảm bảo độ chính xác tính toán cao ngay cả ở độ phân giải lưới thưa tương đối. Đối với việc dự đoán vận tốc trung bình theo chiều vòng, kết quả tính toán của phương pháp VLES cơ bản nhất quán ở hai mức độ phân giải lưới thưa và dày.

Phương pháp Phân tích Vortex Lớn cho Đốt cháy Turbulent

Để nghiên cứu khả thi của phương pháp VLES trong việc dự đoán các vấn đề đốt cháy turbulent [15-16], một mô hình đốt cháy turbulent dựa trên phương pháp VLES được kết hợp với các manifold ngọn lửa tạo ra (FGM) đã được phát triển. Ý tưởng cơ bản là giả định rằng ngọn lửa turbulent có cấu trúc ngọn lửa laminar một chiều cục bộ, và bề mặt ngọn lửa turbulent là giá trị trung bình của một loạt các bề mặt ngọn lửa laminar. Do đó, không gian thành phần nhiều chiều có thể được ánh xạ sang một mẫu dòng chảy ít chiều hơn, bao gồm một số biến đặc trưng (phần trăm hỗn hợp, biến tiến độ phản ứng, v.v.). Dưới điều kiện xem xét cơ chế phản ứng chi tiết, số lượng phương trình vận chuyển cần giải được giảm đáng kể, từ đó làm giảm đáng kể chi phí tính toán.

Quy trình thực hiện cụ thể là xây dựng bảng dữ liệu lớp laminar FGM dựa trên phân số hỗn hợp và biến tiến độ phản ứng, xem xét sự tương tác giữa cháy turbulent bằng cách giả định phương pháp hàm mật độ xác suất để tích hợp bảng dữ liệu laminar, từ đó thu được bảng dữ liệu turbulent. Trong tính toán số, các phương trình vận chuyển của phân số hỗn hợp, biến tiến độ phản ứng và độ lệch chuẩn tương ứng được giải, và thông tin về trường cháy được thu được bằng cách tra cứu bảng dữ liệu turbulent.

Mô hình cháy乱 lưu dựa trên VLES và FGM đã được sử dụng để thực hiện tính toán số về ngọn lửa phun turbulent methane/không khí (Flame D) được đo bởi phòng thí nghiệm Sandia ở Hoa Kỳ, và các so sánh định lượng đã được thực hiện với dữ liệu đo lường thí nghiệm. Chất liệu nhiên liệu của ví dụ Flame D của Sandia (số Reynolds là 22400) là hỗn hợp hoàn toàn của methane và không khí với tỷ lệ thể tích 1:3, tốc độ dòng vào của nhiên liệu khoảng 49,9 m/s, và tốc độ vùng sau khoảng 11,4 m/s. Ngọn lửa chính là hỗn hợp của methane cháy và không khí, và chất liệu vùng sau là không khí thuần túy. Tính toán sử dụng lưới cấu trúc, và tổng số lưới là khoảng 1,9 triệu.

Biểu đồ phân bố phân số khối trung bình của các thành phần khác nhau dọc theo trục được hiển thị trong Hình 5. Các tọa độ ngang và dọc trong hình là khoảng cách vô kích thước (D2 là đường kính của ống phun vào) và phân số khối vô kích thước, tương ứng. Có thể thấy từ hình rằng dự đoán về các thành phần chính của quá trình đốt cháy bằng phương pháp VLES nói chung phù hợp tốt với kết quả thí nghiệm. Phân bố tán xạ nhiệt độ ở các vị trí phía sau khác nhau trong không gian phân số hỗn hợp được hiển thị trong Hình 6. Có thể thấy từ hình rằng xu hướng phân bố tán xạ được dự đoán bởi phương pháp VLES cơ bản nhất quán với kết quả thí nghiệm, và chỉ giá trị cực đại nhiệt độ tính toán cao hơn một chút so với giá trị thí nghiệm. Phân bố vorticity tức thời, nhiệt độ và hàm kiểm soát độ phân giải được tính toán bằng VLES được hiển thị trong Hình 7, trong đó đường thẳng được lấy làm Zst=0.351. Có thể thấy từ hình rằng khu vực lõi phun ra biểu hiện dao động turbulent mạnh mẽ, và khi trường dòng chảy phát triển về phía hạ lưu, quy mô cấu trúc xoáy dần tăng lên. Có thể thấy từ Hình 7 (b) và (c) rằng, trong hầu hết các khu vực phản ứng hóa học, hàm kiểm soát độ phân giải nằm giữa 0 và 1, cho thấy rằng độ phân giải lưới cục bộ có thể bắt giữ turbulence quy mô lớn và chỉ mô phỏng turbulence quy mô nhỏ thông qua mô hình. Lúc này, VLES hoạt động như chế độ giải pháp mô phỏng eddy lớn gần đúng. Trong lớp cắt phun và rìa ngoài của ngọn lửa phía hạ lưu, hàm kiểm soát độ phân giải gần bằng 1, cho thấy rằng quy mô lọc bị cắt của lưới tính toán lớn hơn quy mô turbulence cục bộ. Lúc này, VLES hoạt động như chế độ giải pháp trung bình Reynolds không ổn định. Tóm lại, có thể thấy rằng phương pháp VLES có thể thực hiện chuyển đổi giữa nhiều chế độ giải pháp turbulence theo đặc điểm thời gian thực của sự tiến hóa cấu trúc xoáy, và có thể dự đoán chính xác quá trình đốt cháy không ổn định trong ngọn lửa turbulent.

Phương pháp mô phỏng eddy lớn cho toàn bộ quá trình phân tán

Hầu hết nhiên liệu được sử dụng trong buồng đốt của động cơ máy bay là nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu lỏng đi vào buồng đốt và trải qua các quá trình phân tán sơ cấp và phân tán thứ cấp. Có rất nhiều khó khăn trong việc mô phỏng toàn bộ quá trình phân tán của nhiên liệu lỏng, bao gồm việc bắt giữ cấu hình giao diện topo học hai pha khí-lỏng, biến dạng và vỡ cột lỏng, sự tiến hóa phá vỡ của các dải lỏng và sợi lỏng thành giọt, và sự tương tác giữa dòng chảy乱 lưu và các giọt. Hoàng Tử Vi [19] đã phát triển một mô hình mô phỏng toàn bộ quá trình phân tán dựa trên phương pháp VLES kết hợp với phương pháp tính toán phân tán hybrid VOF-DPM, thực hiện mô phỏng số toàn quá trình phân tán nhiên liệu từ chất lỏng liên tục đến các giọt rời rạc.

Một mô hình mô phỏng quá trình phân tán mới được phát triển đã được sử dụng để thực hiện các phép tính số có độ chính xác cao về quá trình phân tán cột chất lỏng dòng ngang cổ điển, và so sánh chi tiết với kết quả thí nghiệm trong tài liệu công khai [20] và kết quả tính toán mô phỏng dao động lớn [21]. Trong ví dụ tính toán, pha khí là không khí với tốc độ lần lượt là 77,89 và 110,0 m/s, và pha lỏng là nước với tốc độ 8,6 m/s. Các số Weber tương ứng là 100 và 200. Để mô phỏng tốt hơn quá trình phá vỡ thứ cấp, mô hình phá vỡ sử dụng mô hình Kelvin-Helmholtz và Rayleigh-Taylor (KHRT).

Quá trình phân tán hoàn chỉnh được dự đoán bởi VLES trong điều kiện số Weber 100 được hiển thị trong Hình 8. Có thể thấy từ hình ảnh, một lớp chất lỏng mỏng dạng cột được hình thành ở khu vực ban đầu, sau đó cột chất lỏng bị vỡ thành các dải và sợi chất lỏng, và dưới tác động của lực khí động học, chúng bị vỡ thành giọt, và các giọt này tiếp tục bị phá vỡ thành các giọt nhỏ hơn thông qua quá trình phá vỡ thứ cấp. Tốc độ dòng chảy và phân bố xoáy theo chiều ngang được tính toán bởi VLES trong điều kiện số Weber 100 được hiển thị trong Hình 9. Có thể thấy từ hình ảnh, có một vùng tuần hoàn tốc độ thấp điển hình ở phía che chắn của cột chất lỏng. Từ phân bố tức thời của xoáy có thể nhận thấy rằng phía che chắn của cột chất lỏng xuất hiện cấu trúc xoáy mạnh, và chuyển động乱trubulent mạnh trong vùng tuần hoàn tốc độ thấp góp phần làm vỡ tấm cột chất lỏng và hình thành các giọt.

Tỷ lệ giữa đường kính tia ban đầu và kích thước dòng chảy tối thiểu của tia lỏng khi cột lỏng bắt đầu vỡ ra dưới các số Weber khác nhau được hiển thị trong Hình 10. Trong hình, di là kích thước dòng chảy tối thiểu của tia lỏng khi cột lỏng bắt đầu vỡ ra, và D3 là đường kính tia lỏng ban đầu. Có thể thấy từ hình rằng kết quả tính toán VLES phù hợp tốt với kết quả thí nghiệm, tốt hơn so với kết quả tính toán mô phỏng eddy lớn được trình bày trong tài liệu [21].

Mô phỏng bất ổn đốt cháy quy mô rất lớn

Để đáp ứng yêu cầu về mức độ thải thấp, buồng đốt của máy bay dân dụng thường được thiết kế với việc đốt cháy hỗn hợp trước hoặc phần nào hỗn hợp trước ở chế độ đốt cháy nghèo nhiên liệu. Tuy nhiên, chế độ đốt cháy nghèo với việc hỗn hợp trước có tính ổn định kém và dễ kích thích các chế độ dao động kết hợp nhiệt thanh, dẫn đến sự bất ổn trong quá trình đốt cháy. Sự bất ổn trong đốt cháy rất phá hủy và có thể đi kèm với các vấn đề như hiện tượng hồi lưu ngược (flashback) và biến dạng vật rắn, đây là một vấn đề nổi bật mà thiết kế buồng đốt phải đối mặt.

Việc tính toán số học về sự bất ổn của quá trình đốt cháy có thể chia thành hai loại: phương pháp tách rời và phương pháp ghép trực tiếp. Phương pháp dự đoán sự bất ổn của quá trình đốt cháy theo cách tách rời sẽ tách rời giải pháp đốt cháy không định thường và giải pháp âm thanh. Đốt cháy không định thường yêu cầu một số lượng lớn mẫu tính toán số để xây dựng một hàm mô tả ngọn lửa đáng tin cậy. Nếu sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng dòng xoáy lớn, việc tiêu thụ tài nguyên tính toán của nó là quá lớn. Phương pháp tính toán ghép trực tiếp dựa trên phương pháp giải nén, và trực tiếp thu được kết quả bất ổn của quá trình đốt cháy thông qua tính toán không định thường chính xác cao, nghĩa là quá trình tính toán ghép giữa đốt cháy không định thường và âm thanh trong điều kiện làm việc cho trước được hoàn thành một lần duy nhất trong cùng một khung tính toán.

Trong nghiên cứu về mô phỏng số của sự tách rời bất ổn đốt cháy, Huang và cộng sự [27] đã phát triển một mô hình tính toán bất ổn đốt cháy dựa trên phương pháp VLES được kết hợp với phương pháp tính toán ngọn lửa dày, và đạt được dự đoán chính xác về quá trình đốt cháy không ổn định dưới tác động kích thích âm thanh. Ví dụ tính toán là một ngọn lửa etylen/không khí hoàn toàn tiền trộn tĩnh có hình dạng thân blunted do Đại học Cambridge phát triển, với tỷ lệ tương đương là 0.55 và số Reynolds khoảng 17000. So sánh giữa kết quả tính toán VLES và kết quả thí nghiệm về đặc trưng động lực học ngọn lửa không ổn định dưới tác động âm thanh được hiển thị trong Hình 12. Có thể thấy từ hình rằng trong quá trình kích thích vào cửa, ngọn lửa cuộn lại tại các lớp cắt trong và ngoài và tiến hóa thành một cặp xoáy quay ngược chiều. Trong quá trình này, sự tiến hóa của hình dạng ngọn lửa hình nấm tiếp tục phát triển cùng với sự thay đổi của góc pha. Kết quả tính toán VLES tái tạo tốt các đặc trưng tiến hóa của ngọn lửa được quan sát trong thí nghiệm. So sánh về biên độ và sai khác pha của phản ứng tốc độ giải phóng nhiệt dưới kích thích âm thanh 160 Hz thu được bằng các phương pháp tính toán khác nhau và đo lường thí nghiệm được hiển thị trong Hình 13. Trong hình, Q' và Q ͂ là nhiệt độ phát ra dao động và nhiệt độ phát ra trung bình của quá trình cháy, tương ứng, A là biên độ của sự kích thích âm thanh hình sin, và trục tung của Hình 13 (b) là sự chênh lệch pha giữa tín hiệu nhiệt độ phát ra tạm thời của quá trình cháy dưới sự kích thích âm thanh và tín hiệu kích thích tốc độ vào. Có thể thấy từ hình, độ chính xác dự đoán của phương pháp VLES có thể sánh được với độ chính xác của mô phỏng dòng lớn [28], và cả hai đều phù hợp tốt với các giá trị thực nghiệm. Mặc dù phương pháp RANS không ổn định dự đoán xu hướng phản hồi phi tuyến, nhưng kết quả định lượng tính toán lại khác xa so với các giá trị thực nghiệm. Đối với kết quả chênh lệch pha (Hình 13 (b)), xu hướng chênh lệch pha được dự đoán bởi phương pháp VLES với biên độ nhiễu cơ bản nhất trí với kết quả thực nghiệm, trong khi kết quả mô phỏng dòng lớn không dự đoán tốt xu hướng trên.