Дослідження прогресу в аеродинамічній ефективності камери спалювання двигунів літаків на основі великого вихрового моделювання

Дослідження прогресу в аеродинамічній ефективності камери спалювання двигунів літаків на основі великого вихрового моделювання

Камера згоряння є однією з основних компонентів літака двигуна, а аеродинамічні показники камери горіння відіграють важливу роль у виконанні всього двигуна. Для того, щоб задовольнити все більш суворі технічні вимоги двигуна для камери згоряння, режим організації згоряння та характеристики потоку всередині камери згоряння стали дуже складними. Процес уповільнення та тиску дифузора може стикатися з розділенням потоку при сильному градієнті несприятливого тиску; Потік повітря проходить через багатоступеневий вир-пристрій, щоб утворити масштабну вихрову структуру, яка, з одного боку, сприяє атомізації та випаровуванню рідкого палива і утворює сильно пульсуючу, нестабільну суміш з паливом, а з іншого генерує нерухомий полум'я в зоні аеродинамічної рециркуляції; Множинні струмені основного спалювання/змішування діри взаємодіють з бічним потоком у полум'яній трубці, утворюючи противодну вихрову пару, що має важливий вплив на турбулентне змішування. На основі потоку багатошарові фізичні та хімічні процеси, такі як атомізація та випаровування, змішування, хімічна реакція та взаємодія між турбулентністю та полум'ям, сильно поєднуються, що спільно визначають аеродинамічні характеристики камери згоряння. Високоточне моделювання та розрахунок цих фізичних та хімічних процесів завжди були гарячою темою досліджень вдома та за кордоном.

Процеси атомізації, випаровування, змішування та згоряння в камері згоряння розвиваються та розвиваються в турбулентному потоці, тому потік є основою для моделювання аеродинамічних показників камери горіння. Основна характеристика турбулентності полягає в тому, що параметри потоку демонструють випадкову пульсацію через нелінійний процес конвекції. Турбулентність містить багато вихорів. Проміжки різних вихорів за довжиною та часовими масштабами величезні, і у міру збільшення кількості Рейнольдса проміжки між масштабами різко збільшуються. Відповідно до частки турбулентних вихорних структур, які безпосередньо вирішені, методи моделювання турбулентності поділяються на пряме чисельне моделювання (DNS), у середньому навієрс-Стоксі Рейнольдса (RANS), велике вихрове моделювання (LES) та змішані методи моделювання турбулентності. Метод RANS, який широко використовується в інженерії, вирішує турбулентне середнє поле і використовує модель для імітації всієї турбулентної інформації про пульсацію. Сума розрахунку невелика, але точність погана. Для сильних процесів вихору та нестабільних потоків у камері згоряння, RANS не може відповідати вимогам доопрацьованої конструкції. Пітч зазначив, що обчислювальна складність LES знаходиться між RANS та DNS, і в даний час використовується для турбулентних обчислень горіння в необмежених просторах із середніми та низькими числами Рейнольдса. Завдяки невеликому масштабі турбулентності в області близької стіни камери згоряння та високого числа Рейнольдса потоку, кількість сітків, необхідних для розрахунку LES однієї головки камери згоряння, становить сотні мільйонів мільйонів. Таке високе споживання обчислювальних ресурсів обмежує широке використання ЛЕС у моделюванні камери згоряння.

Встановлення високоточних моделей розрахунків та методів, заснованих на дуже великому вихровому моделюванні (VLE) та гібридних рамках методу RANS-LES, є важливою тенденцією в чисельному моделюванні. Метод VLE, ​​розроблений Han et al. Вирішає проблему низької обчислювальної ефективності, спричиненої фільтрувальною шкалою сітки та вирішенням обмежень, що відповідають масштабам турбулентності, в традиційних ЛЕС та реалізує моделювання зв'язку між багатомасштабними характеристиками турбулентності, характеристиками перехідної еволюції та роздільною здатністю сітки. , VLE адаптивно коригує співвідношення між розчином турбулентності та моделюванням моделі на основі характеристик еволюції структури вихору, значно зменшуючи обчислювальні витрати, забезпечуючи при цьому точність розрахунку.

Тим не менш, порівняно з традиційними LES, теорія та характеристики VLE не були широко вивчені та використані. У цьому документі систематично вводить теорію моделювання VLE та її застосування ефектів у різних фізичних сценаріях, пов'язаних з камерами згоряння, сприяючи масштабному застосуванню VLE в галузі моделювання камери спалювання двигунів літаків.

Метод великого вихрового моделювання

Вплив методів моделювання турбулентності на обчислення споживання ресурсів та моделей показаний на малюнку 1. Методи RANS, LES та VLE досягають моделювання потоку за допомогою моделювання турбулентності. Слід зазначити, що найдавніше чітке визначення VLE було надано Папою, яке стосується "шкала обчислювальної сітки, занадто груби, так що турбулентна кінетична енергія, що безпосередньо розважається, становить менше 80% від загальної турбулентної кінетичної енергії". У той же час, значення LES, заданого Папою [6], є "обчислювальна сітка дуже тонка, так що турбулентна кінетична енергія, що безпосередньо розв’язується, перевищує 80% від загальної турбулентної кінетичної енергії". Тим не менш, слід зазначити, що VLE, ​​представлені в цій статті, є новим обчислювальним методом, який був перероблений та розроблений на основі попереднього методу. Хоча назви однакові, новий метод VLE по суті відрізняється від методу VLE, ​​визначеного Папою. Як видно з фігури, традиційними режимами турбулентності є RANS, URAN, HYBRID RANS/LES, LES та DNS в порядку обчислення. Відповідно до нової моделі, режими турбулентності поділяються на RANS, VLE та DNS в порядку обчислення. Тобто метод VLE реалізує об'єднання декількох традиційних режимів турбулентності, а різні моделі адаптивно переходять та конвертують плавно відповідно до локальних характеристик у фактичних розрахунках.

Моделювання типових фізичних процесів у камері згоряння

Дуже велике вихрове моделювання сильного закрученого потоку

Камера згоряння двигуна літака зазвичай приймає форми організації потоку, такі як багатоступеневий завихрення та сильний вир. Потік завоювання - це найосновніша форма потоку в камері згоряння. Оскільки вир домінуючий як у напрямку потоку, так і в тангенціальному напрямку, турбулентна пульсація завихрення має сильнішу анізотропію, ніж традиційний потік труб, потік каналу та струменевий потік. Тому чисельне моделювання завилок викликає велику проблему методу моделювання турбулентності. Xia та ін. використовував метод VLE для обчислення класичного сильного прикладу потоку в трубці; Dellenback та ін. [14] проводили експерименти поля потоку на цьому прикладі та мають детальні експериментальні дані. Номер обчисленого прикладу потік 1. 0 × 105 (на основі діаметра кругової трубки), а число вир - 1,23. У розрахунку використовуються два набори структурованих сітків. Загальна кількість розріджених сітків (M1) становить близько 900, 000, а загальна кількість зашифрованих сітків (M2) становить близько 5,1 млн. Результати статистичного моменту, отримані за рахунок розрахунку, далі порівнюються з експериментальними результатами для перевірки точності обчислення методу VLE.

Порівняння результатів розрахунку різних методів та експериментальних результатів радіального розподілу середньої швидкості окружної швидкості та пульсуючої швидкості на різних положеннях нижче за течією показано на рисунку 4. На фігурі горизонтальний і вертикальний координати є безрозмірними відстанями та безрозмірною швидкістю та u відповідно, де inecity - це діаметра. Як видно з фігури, поле потоку показує типовий ранник, що нагадує сполуку, поступово переходить до одного жорсткого вихору тіла. Порівнюючи обчислення та експериментальні результати, можна встановити, що метод VLE має високу точність розрахунку для прогнозування окружної швидкості сильного потоку закручування, що добре узгоджується з розподілом експериментальних вимірювань. Традиційний метод RANS має дуже велике відхилення при обчисленні потоку завихрення і не може правильно передбачити просторову еволюцію поля потоку та турбулентної пульсації. Для порівняння, метод VLE має дуже високу точність у прогнозуванні середнього поля швидкості, поля швидкості пульсуючої швидкості та просторової еволюції при складному сильному потоці, що закручується, і все ще може гарантувати високу точність розрахунку навіть при відносно розрідженій роздільній здатності сітки. Для прогнозування середньої швидкості окружності результати обчислення методу VLE в основному послідовні на двох наборах рідкісних та щільних роздільних можливостей.

Велике вихрове моделювання турбулентного згоряння

Для того, щоб вивчити доцільність методу VLE у прогнозуванні турбулентних проблем горіння [15-16], була розроблена турбулентна модель згоряння, заснована на методі VLE, ​​у поєднанні з генерованими фламеле (FGM). Основна ідея полягає в тому, щоб припустити, що турбулентне полум'я має одновимірну ламінарну структуру полум'я локально, а турбулентна поверхня полум'я-це середнє значення ансамблю серії ламінарних полум'я. Тому простір високомірного компонента може бути відображений на низьковимірній схемі потоку, що складається з декількох характерних змінних (фракція суміші, змінна прогресу реакції тощо). За умови розгляду детального механізму реакції кількість транспортних рівнянь, що підлягають вирішенню, значно зменшується, тим самим значно зменшуючи обчислювальні витрати.

Конкретний процес впровадження полягає в тому, щоб побудувати таблицю ламінарних даних FGM на основі змінних фракцій суміші та прогресу реакції, розглянемо взаємодію між турбулентним горінням, приймаючи метод функції щільності ймовірності для інтеграції ламінарної таблиці даних, і, таким чином, отримати таблицю турбулентних даних. У чисельному розрахунку транспортні рівняння фракції суміші вирішуються змінні прогресу реакції та відповідна дисперсія, а інформація про поле згоряння отримується шляхом запиту таблиці турбулентних даних.

Модель турбулентного згоряння на основі VLE та FGM була використана для проведення чисельних розрахунків на метані/повітряному турбулентному струмені (полум'я D), виміряне лабораторією Сандії в Сполучених Штатах, і було проведено кількісні порівняння з експериментальними даними вимірювання. Паливний матеріал прикладу полум'я S Sandia (число Рейнольдса - 22400) - це повна суміш метану та повітря з об'ємним співвідношенням 1: 3, швидкість введення палива становить близько 49,9 м/с, а швидкість пробки становить близько 11,4 м/с. Полум'я обов'язку - це суміш спаленого метану та повітря, а матеріал для неспання - це чисте повітря. Розрахунок використовує структуровану сітку, а загальна кількість сітків становить близько 1,9 мільйона.

Розподіл середньої масової частки різних компонентів вздовж осі показано на малюнку 5. Горизонтальні та вертикальні координати на рисунку - це безрозмірна відстань (D2 - діаметр впускної струменевої трубки) та безрозмірної маси маси відповідно. З фігури можна побачити, що прогнозування основних компонентів процесу згоряння методом VLE, ​​як правило, добре узгоджується з експериментальними результатами. Розсіяний розподіл температури в різних положеннях нижче за течією в просторі фракції суміші показано на малюнку 6. З фігури можна видно, що тенденція розкиду розподілу, передбачена методом VLE, ​​в основному відповідає експериментальним результатам, і лише обчислене температуру крайнє значення трохи вище, ніж експериментальне значення. Розподіл миттєвої виходу, функції контролю температури та роздільної здатності, обчисленої VLE, ​​показано на малюнку 7, де суцільна лінія приймається як ZST =0. 351. З фігури видно, що область основного струменя демонструє сильну турбулентну пульсацію, і в міру розвитку потоку потоку вниз за течією масштаб структури вихору поступово збільшується. Як видно з малюнка 7 (b) та (c), у більшості хімічних реакцій функція контролю роздільної здатності між 0 та 1, що вказує на те, що локальна роздільна здатність сітки може зафіксувати масштабну турбулентність і імітувати лише малі масштабну турбулентність через модель. У цей час VLE поводиться як приблизний режим великого вихрового імітаційного рішення. У шарі струменя зсуву та зовнішньому краю полум'я нижче за течією функція управління роздільною здатністю близька до 1, що вказує на те, що усічена шкала фільтра обчислювальної сітки більша, ніж локальна шкала турбулентності. У цей час VLE поводиться як нестабільний режим середнього рішення Рейнольдса. Підводячи підсумок, видно, що метод VLE може реалізувати перетворення декількох режимів розчину турбулентності відповідно до характеристик еволюції структури вихору і може точно передбачити нестабільний процес згоряння в турбулентному полум'ї.

Велике вихрове моделювання повного процесу атомізації

Більшість палива, що використовується в камері згоряння двигуна літака, - це рідке паливо. Рідке паливо потрапляє в камеру згоряння і зазнає первинної атомізації та вторинної атомізації. Існує багато труднощів у моделюванні повного процесу атомізації рідкого палива, включаючи захоплення двофазної конфігурації топологічного інтерфейсу газо-рідини, деформації рідини та розриву, еволюцію розриву рідких смуг та рідких нитків у краплі та взаємодію між турбулентним потоком та крапельками. Huang Ziwei [19] розробив повну модель моделювання процесу атомізації на основі методу VLE у поєднанні з методом обчислення гібридної атомізації VoFDPM, реалізуючи повноцінне числове моделювання атомізації палива від безперервної рідини до дискретних крапель.

Нещодавно розроблена модель моделювання процесу атомізації була використана для проведення високоточних чисельних розрахунків класичного процесу атомізації стовпчика бічного потоку, і було проведено детальне порівняння з експериментальними результатами у відкритій літературі [2 0] та результатам великих вихрових результатів обчислення [21]. У прикладі розрахунку газова фаза - це повітря зі швидкістю 77,89 та 110,0 м/с відповідно, а рідка фаза - рідка вода зі швидкістю 8,6 м/с. Відповідні числа Вебера - 100 і 200 відповідно. Для того, щоб краще імітувати вторинний процес розриву, модель розриву приймає модель Кельвіна-Гельмгольца та Релея-Тейлора (KHRT).

Повний процес атомізації, передбачений VLE за умовою Weber Number 100, показаний на малюнку 8. Як видно з фігури, в початковій області утворюється тонкий аркуш рідкої колони та рідини, і розбивається на краплі під дією аеродинамічної сили, а краплі подальше розбиваються на менші крапельки за допомогою другої прориву. Швидкість потоку та розподіл вихорів проміжних витрат, обчислені VLE за умовою Weber Number 100, показані на малюнку 9. Як видно з фігури, на стороні підвітряної стовпця є типова низькошвидкісна зона рециркуляції. З миттєвого розподілу вихору можна знайти, що підвітряна сторона рідкої колони демонструє сильну структуру вихору, а сильний турбулентний рух у зоні рециркуляції низькошвидкісної рециркуляції сприяє розриву аркуша рідкої колони та утворенням крапель.

Співвідношення початкового діаметра струменя до мінімального виміру потоку рідкого струменя, коли рідина стовпчик починає розриватися під різними числами Вебера, показано на малюнку 10. На малюнку DI - мінімальний розмір потоку рідкого струменя, коли рідина починає розбиватися, а D3 - початковий діаметр рідини. З рисунка видно, що результати розрахунку VLE добре узгоджуються з експериментальними результатами, які краще, ніж великі результати обчислення вихрового моделювання в літературі [21].

Нестабільність згоряння дуже велике вихрове моделювання

Для того, щоб відповідати вимогам низьких викидів, палати спалювання цивільних літальних апаратів зазвичай розробляються з попередньо змішаним або частково попередньо змішаним горінням. Однак худорлявий попередній згоряння має погану стабільність і схильний до збудження режимів горіння термоакустичного з'єднання, що призводить до нестабільності згоряння. Нестабільність згоряння є дуже руйнівною і може супроводжуватися такими проблемами, як спалах та тверда деформація, що є помітною проблемою, з якою стикаються конструкція камери згоряння.

Числовий розрахунок нестабільності згоряння можна розділити на дві категорії: метод роз'єднання та метод прямого з'єднання. Роз'єднаний метод прогнозування нестабільності згоряння роз'єднує нестабільне згоряння та акустичні розчини. Нестабільне згоряння вимагає великої кількості чисельних зразків розрахунку, щоб створити надійну функцію опису полум'я. Якщо застосовується великий метод обчислення моделювання, його споживання обчислювальних ресурсів занадто велике. Метод розрахунку прямого з'єднання заснований на методі стислого розчину і безпосередньо отримує результат нестабільності згоряння за допомогою високопрозорого нестабільного розрахунку, тобто процес обчислення з’єднання нестабільного горіння та акустики в умовах праці завершується в один раз у одній рамці розрахунку.

У дослідженні чисельного моделювання роз'єднання нестабільності згоряння, Huang et al. [27] розробила модель розрахунку нестабільності згоряння на основі методу VLE у поєднанні з методом розрахунку полум'я та досягло точного прогнозування нестабільного процесу згоряння в акустичному збудженні. Приклад розрахунку - це тупий нерухомий полум'я етилену/повітря, повністю передане полум’ям, розробленим Кембриджським університетом, з коефіцієнтом еквівалентності 0. 55 та кількістю Рейнольдса близько 17000. Порівняння між результатами розрахунку VLE та експериментальними результатами нестабільного полум'я, що під час екскурсійної хвилини, показано, на рисунку 12. котиться на внутрішніх і зовнішніх шарах зсуву і перетворюється на контрзагальту вихову. У цьому процесі еволюція гриба-у формі полум'я продовжує розвиватися зі зміною фазового кута. Розрахунок VLE призводить до того, що добре відтворюють характеристики еволюції полум'я, що спостерігаються в експерименті. The comparison of the amplitude and phase difference of the heat release rate response under 160 Hz acoustic excitation obtained by different calculation methods and experimental measurements is shown in Figure 13. In the figure, Q' and Q͂ are the pulsating heat release and average heat release of combustion, respectively, A is the amplitude of sinusoidal acoustic excitation, and the ordinate of Figure 13 (b) is the phase difference between the transient heat release signal of combustion Під акустичним збудженням та сигналом збудження швидкості впускного входу. Як видно з малюнка, точність прогнозування методу VLE порівнянна з точністю великого вихрового моделювання [28], і обидва добре узгоджуються з експериментальними значеннями. Хоча метод нестабільних РАНС прогнозує тенденцію нелінійної відповіді, обчислені кількісні результати значно відхиляються від експериментальних значень. Для результатів різниці фаз (рис. 13 (б)) тенденція різниці фаз, передбачена методом VLE з амплітудою порушення в основному, відповідає результатам експерименту, тоді як великі результати вихрового моделювання не прогнозують вищевказану тенденцію.