Pokrok v oblasti výzkumu aerodynamického výkonu spalovací komory motoru letadla na základě velké simulace vířiv
Spalovací komora je jednou z hlavních součástí letadlového motoru a aerodynamický výkon spalovací komory hraje zásadní roli při výkonu celého motoru. Aby bylo možné splnit stále přísnější technické požadavky motoru pro spalovací komoru, staly se velmi složitý režim organizace spalování a charakteristiky toku uvnitř spalovací komory. Proces zpomalení a tlaku difuzoru může čelit oddělení toku při silném nepříznivém tlakovém gradientu; Proud vzduchu prochází vícestupňovým zařízením vířením za vzniku rozsáhlé vírové struktury, která na jedné straně podporuje atomizaci a odpařování kapalného paliva a tvoří silně pulzující, nestabilní směs s palivem a na druhé straně vytváří stacionární plamen v zóně aerodynamické recirkulační zóny; Více trysek hlavního spalovacího/míchacího otvoru interagují s postranním tokem ve trubici plamene za vzniku páru víru, který má důležitý vliv na turbulentní míchání. Na základě toku jsou silně spojeny více měřítkových fyzikálních a chemických procesů, jako je atomizace a odpařování, míchání, chemická reakce a interakce mezi turbulencí a plamenem, což společně určují aerodynamické vlastnosti spalovací komory. Vysoce přesné modelování a výpočet těchto fyzikálních a chemických procesů bylo vždy horkým tématem výzkumu doma i v zahraničí.
Procesy atomizace, odpařování, míchání a spalování ve spalovací komoře se rozvíjejí a vyvíjejí se v prostředí turbulentního toku, takže tok je základem pro simulaci aerodynamického výkonu spalovací komory. Základní charakteristikou turbulence spočívá v tom, že parametry toku vykazují náhodnou pulzaci v důsledku nelineární konvekce. Turbulence obsahuje mnoho struktur víru. Rozpětí různých vírů v délce a časových měřítcích jsou obrovské a se zvyšováním počtu Reynolds se rozpětí mezi stupnicemi prudce zvyšuje. Podle podílu turbulentních struktur vírů, které jsou přímo vyřešeny, jsou metody simulace turbulence rozděleny na přímou numerickou simulaci (DNS), Reynolds-průměrné Navier-Stokes (RANS), velké vířivé simulace (LES) a metody simulace smíšených turbulence. Metoda RANS, která se široce používá ve strojírenství, řeší turbulentní střední pole a používá model k simulaci všech turbulentních informací o pulzu. Částka výpočtu je malá, ale přesnost je špatná. Pro silné víření a nestabilní procesy toku ve spalovací komoře nemůže RANS splnit požadavky rafinovaného designu. Pitsch poukázal na to, že výpočetní složitost LES je mezi RANS a DNS a v současné době se používá pro výpočty turbulentního spalování v neomezených prostorech se středním a nízkým počtem Reynolds. Vzhledem k malému měřítku turbulencí v oblasti blízké stěny spalovací komory a vysokému Reynoldsovu počtu toku je množství mřížek potřebných pro výpočet LES samotné jediné hlavy spalovací komory samotné ve stovkách milionů až miliard. Taková vysoká výpočetní spotřeba zdrojů omezuje rozšířené použití LES v simulacích spalovací komory.
Zřízení vysoce přesných modelů výpočtu a metod založených na velmi velké simulaci vířivých (VLES) a Hybrid Rans-Les Metody je důležitým trendem v numerické simulaci. Metoda VLES vyvinutá Han et al. Řeší problém nízké výpočetní účinnosti způsobený filtrováním měřítka mřížky a řešením omezení porovnávání turbulence v tradičních LES a realizuje modelování spojování mezi turbulenčními charakteristikami, přechodné evoluční charakteristiky a rozlišením mřížky. , Vles adaptivně upravuje poměr mezi řešením turbulence a modelovým modelováním na základě charakteristik vývoje vířivé struktury v reálném čase, což významně snižuje výpočetní náklady a zároveň zajišťuje přesnost výpočtu.
Nicméně ve srovnání s tradičními LES nebyly teorie a charakteristiky VLES široce studovány a používány. Tento článek systematicky představuje teorii modelování VLE a jeho aplikačních efektů v různých fyzikálních scénářích souvisejících se spalovacími komorami a podporuje rozsáhlou aplikaci VLES v oblasti simulace spalovací komory letadlového motoru.
Metoda simulace velké vířivé simulace
Vliv metod simulace turbulence na výpočetní spotřebu a modely je znázorněn na obrázku 1. metody RANS, LES a VLES dosahují simulaci toku pomocí modelování turbulence. Je třeba poznamenat, že nejčasnější jasnou definici VLES byl dán papežem, která se týká „výpočetní mřížky je příliš hrubé, takže přímo vyřešená turbulentní kinetická energie je menší než 80% celkové turbulentní kinetické energie“. Současně je význam LES daný papežem [6] „výpočetní mřížka je velmi jemná, takže přímo vyřešená turbulentní kinetická energie je větší než 80% celkové turbulentní kinetické energie“. Je však třeba poznamenat, že VLES zavedený v tomto článku je novou výpočetní metodou, která byla na základě předchozí metody přestavěna a vyvíjena. Ačkoli názvy jsou stejná, nová metoda VLES se v podstatě liší od metody VLES definované papežem. Jak je vidět z obrázku, tradičními režimy turbulence jsou RANS, URANS, Hybridní rans/LES, LES a DNS v pořadí přesnosti výpočtu. V rámci nového modelového rámce jsou režimy turbulence rozděleny na rans, vles a DNS v pořadí přesnosti výpočtu. To znamená, že metoda VLES realizuje sjednocení více tradičních režimů turbulence a různé modely adaptivně přecházejí a hladce převádějí podle místních charakteristik ve skutečných výpočtech.
Simulace typických fyzických procesů ve spalovací komoře
Velmi velká vířivá simulace silného vířícího toku
Spalovací komora letadlového motoru obvykle přijímá formy organizace toku, jako je vícestupňová víra a silná víra. Tok s vířením je nejzákladnější formou toku ve spalovací komoře. Vzhledem k tomu, že víření je dominantní jak ve směru toku, tak ve směru tangenciálního, má turbulentní pulzace víry silnější anizotropii než tradiční tok potrubí, tok kanálu a proud proudu. Numerická simulace víry proto představuje velkou výzvu pro metodu simulace turbulence. Xia et al. použila metodu VLES k výpočtu klasického příkladu silného víření ve zkumavce; Dellenback et al. [14] provedli na tomto příkladu experimenty s tokovým polem a měli podrobná experimentální data. Číslo toku Reynolds vypočítaného příkladu je 1. 0 × 105 (na základě průměru kruhové trubice) a číslo víru je 1,23. Při výpočtu se používají dvě sady strukturovaných mřížek. Celkový počet řídkých mřížek (M1) je asi 900, 000 a celkový počet šifrovaných mřížek (M2) je asi 5,1 milionu. Výsledky statistických momentů získaných výpočtem jsou dále porovnány s experimentálními výsledky pro ověření přesnosti výpočtu metody VLES.
Porovnání výsledků výpočtu různých metod a experimentálních výsledků radiálního rozložení obvodové průměrné rychlosti a pulzující rychlosti v různých downstream polohách pod silným vířícím tokem je znázorněno na obrázku 4. V obrázku je horizontální a vertikální souřadnice bez rozměru a rozměrová rychlost a inletní velikost a inlesknuta je to, že je v infálním proudu a usilovačem, a usilovačem je v průměru, a to je bezprostřední, a rozměrová vzdálenost. Jak je vidět z obrázku, tok tok ukazuje typický Rankin-podobný sloučeniny virtexu postupně přecházející na jediný pevný vír těla. Při porovnání výpočtu a experimentálních výsledků lze zjistit, že metoda VLES má vysokou přesnost výpočtu pro predikci obvodové rychlosti silného vířícího toku, což je v dobré shodě s distribucí experimentálních měření. Tradiční metoda RANS má velmi velkou odchylku při výpočtu toku víření a nemůže správně předpovídat prostorový vývoj toku víření a turbulentní pulzu. Ve srovnání, metoda VLES má velmi vysokou přesnost v predikci průměrného pole rychlosti, pulzující rychlostní pole a prostorového vývoje při komplexním silném vířícím toku a stále může zaručit vysokou přesnost výpočtu i při relativně řídkém rozlišení mřížky. Pro predikci obvodové průměrné rychlosti jsou výsledky výpočtu metody VLES v zásadě konzistentní ve dvou sadách řídké a husté rozlišení mřížky.
Velká vířivá simulace turbulentního spalování
Za účelem studia proveditelnosti metody VLES při předpovídání turbulentních problémů se spalováním [15-16] byl vyvinut turbulentní model spalování založený na metodě VLES spojené s flameletovým rozdělovačem (FGM). Základní myšlenkou je předpokládat, že turbulentní plamen má jednorozměrnou strukturu laminárního plamene lokálně a turbulentní plamenový povrch je průměrem souboru řady laminárních plamenových povrchů. Proto může být vysokorozměrný prostor komponenty mapován na nízkorozměrný tokový vzorec složený z několika charakteristických proměnných (frakce směsí, proměnná reakčního pokroku atd.). Za podmínky zvážení podrobného reakčního mechanismu je počet transportních rovnic, které mají být vyřešeny, výrazně snížena, čímž výrazně snižuje výpočetní náklady.
Specifickým procesem implementace je konstruovat tabulku laminární datové tabulky FGM založené na proměnných směsi frakce a reakce, zvažte interakci mezi turbulentním spalováním předpokládáním metody funkce hustoty pravděpodobnosti pro integraci laminární datové tabulky, a tak získáte tabulku turbulentních dat. V numerickém výpočtu jsou vyřešeny transportní rovnice frakce směsi, proměnných pro pokrok v reakci a odpovídající rozptyl a informace o spalovacím poli se získají dotazováním turbulentních datových tabulek.
Turbulentní model spalování založený na VLES a FGM byl použit k provádění numerických výpočtů na metanu/vzduchovém turbulentním tryskovém plameni (Flame D) měřené laboratoří Sandia ve Spojených státech a kvantitativní srovnání bylo provedeno s údaji o experimentálním měření. Palivový materiál příkladu Sandia Flame d (Reynolds číslo je 22400) je úplná směs metanu a vzduchu s poměrem objemu 1: 3, rychlost vstupu paliva je asi 49,9 m/s a rychlost probuzení je asi 11,4 m/s. Plamen cla je směsí spáleného metanu a vzduchu a probuzení je čistý vzduch. Výpočet používá strukturovanou mřížku a celkový počet mřížek je asi 1,9 milionu.
Rozložení průměrné hmotnostní frakce různých složek podél osy je znázorněno na obrázku 5. Horizontální a svislé souřadnice na obrázku jsou bezrozměrná vzdálenost (D2 je průměr vstupní tryskové trubice) a bezrozměrná hmotnostní frakce. Z obrázku je vidět, že predikce hlavních složek procesu spalování metodou VLES je obecně v dobré shodě s experimentálními výsledky. Rozptylované rozdělení teploty v různých downstream pozicích ve frakčním prostoru směsi je znázorněno na obrázku 6. Z obrázku je vidět, že rozptýlený distribuční trend předpovídaný metodou VLES je v zásadě konzistentní s experimentálními výsledky a pouze vypočítaná extrémní hodnota teploty je mírně vyšší než experimentální hodnota. Distribuce okamžité funkce vorticity, teploty a rozlišení vypočtená podle VLES je znázorněna na obrázku 7, kde je plná čára pořízena jako ZST =0. 351. Z obrázku je vidět, že oblast jádra proudu vykazuje silnou turbulentní pulzaci a jak se tok průtoku vyvíjí po proudu, měřítko struktury víru se postupně zvyšuje. Jak je vidět z obrázku 7 (b) a (c), ve většině chemických reakčních oblastí je funkce kontroly rozlišení mezi 0 a 1, což naznačuje, že rozlišení místní mřížky dokáže zachytit rozsáhlou turbulenci a simulovat pouze malou turbulenci pomocí modelu. V této době se VLE chová jako přibližný režim řešení velkého simulace vířivých simulací. V proudové smykové vrstvě a vnějším okraji plamene downstream je funkce řízení rozlišení blízká 1, což naznačuje, že zkrácená filtrační stupnice výpočetní mřížky je větší než měřítko lokální turbulence. V této době se Vles chová jako nestabilní režim Reynolds Průměrný řešení. Stručně řečeno, je vidět, že metoda VLES může realizovat transformaci více režimů řešení turbulence podle charakteristik vývoje vířivé struktury v reálném čase a může přesně předpovídat nestabilní proces spalování v turbulentních plamenech.
Velká vířivá simulace úplného procesu atomizace
Většina paliva použitého ve spalovací komoře letadlového motoru je tekuté palivo. Kapalné palivo vstupuje do spalovací komory a podléhá primární atomizaci a sekundární atomizační procesy. Existuje mnoho obtíží při simulaci úplného procesu atomizace kapalného paliva, včetně zachycení dvoufázové topologické konfigurace topologického rozhraní plynu-kapaliny, deformace a ruptury kapaliny, rozpadu kapalných pásů a kapalných filamentů do kapiček a interakce mezi turbulentním průtokem a kapičkou. Huang Ziwei [19] vyvinul kompletní model simulace atomizačního procesu založený na metodě VLES spojené s metodou výpočtu hybridní atomizace VOFDPM a realizoval numerickou simulaci atomizace paliva z kontinuální kapaliny po diskrétní kapičky.
Nově vyvinutý model simulace atomizačního procesu byl použit k provádění vysoce přesných numerických výpočtů klasického procesu atomizace kapaliny laterálního toku a bylo provedeno podrobné srovnání s experimentálními výsledky v otevřené literatuře [2 0] a výsledků výpočtu velkého vířivé simulace [21]. V příkladu výpočtu je plynná fáze vzduch s rychlostí 77,89 a 110,0 m/s a kapalná fáze je kapalná voda s rychlostí 8,6 m/s. Odpovídající čísla Weber jsou 100 a 200. Aby se lépe simuloval sekundární proces rozpadu, přijímá model rozchodu model Kelvin-Helmholtz a Rayleigh-Taylor (KHRT).
Kompletní proces atomizace předpovídaný VLES za podmínky Webera číslo 100 je znázorněn na obrázku 8. Jak je vidět z obrázku, v počáteční oblasti se vytvoří tenký list kapalného sloupce a poté se kapalná sloupec rozdělí do kapalných pásů a kapalných filamentů a vniká do kapiček pod působením aerodynamické síly a kapky se dále rozbijí do menších kapiček. Rychlost proudu a rozložení rozpětí vorticity vypočítané VLES pod podmínkou Weber Number 100 jsou znázorněny na obrázku 9. Jak je vidět z obrázku, na zátěžové straně kapalného sloupce je typická zóna recirkulace nízké rychlosti. Z okamžité distribuce vorticity lze nalézt, že zálivá strana kapalného sloupce vykazuje silnou virtexovou strukturu a silný turbulentní pohyb v recirkulační zóně s nízkou rychlostí přispívá k prasknutí listu kapalného sloupce a tvorbě kapiček.
Poměr počátečního průměru proudu k minimálnímu rozměru průtoku kapalného paprsku, když se kapalina začne rozpadat pod různými Weberova čísla, je znázorněn na obrázku 10. Na obrázku je DI minimální rozměrem průtoku kapalného proudu, když se kapalina začne rozpadat, a D3 je počáteční průměr kapaliny. Z obrázku je vidět, že výsledky výpočtu VLS jsou v dobré shodě s experimentálními výsledky, které jsou lepší než výpočet velké vířivé simulace vede v literatuře [21].
Nestabilita spalování Velmi velká simulace víři
Aby bylo možné splnit požadavky na nízké emise, jsou spalovací komory občanských letadel obvykle navrženy s předem smíšeným nebo částečně předem směšným štíhlým spalováním. Spalování na štíhlém předmětu má však špatnou stabilitu a je náchylná k excitaci režimů spalování oscilace spojená s termoakustickou vázanou, což vede k nestabilitě spalování. Nestabilita spalování je vysoce destruktivní a může být doprovázena problémy, jako je flashback a solidní deformace, což je významný problém, kterému čelí návrh spalovací komory.
Numerický výpočet nestability spalování lze rozdělit do dvou kategorií: metoda oddělení a metoda přímé vazby. Metoda predikce nestability spalovací nestability odděluje nestabilní spalování a akustické roztoky. Nestabilní spalování vyžaduje velké množství numerických vzorků výpočtu, aby vytvořily spolehlivou funkci popisu plamene. Pokud je použita metoda výpočtu velkého simulace vířivé simulace, je spotřeba výpočetních zdrojů příliš velká. Metoda výpočtu přímého vazeb je založena na metodě stlačitelného řešení a přímo získává výsledek nestability spalování prostřednictvím vysoce přesného nestabilního výpočtu, tj. Proces výpočtu spojky nestabilního spalování a akustiky za daných pracovních podmínek je dokončen ve stejném výpočetním rámci.
Ve studii numerické simulace oddělení nestability spalování Huang et al. [27] vyvinuli model výpočtu nestability spalování založený na metodě VLES spojené s metodou výpočtu plamene zesílení a dosáhl přesné predikce nestabilního procesu spalování při akustické excitaci. The calculation example is a blunt body stationary ethylene/air fully premixed flame developed by Cambridge University, with an equivalence ratio of 0.55 and a Reynolds number of about 17000. The comparison between the VLES calculation results and the experimental results of the unsteady flame dynamic characteristics under acoustic excitation is shown in Figure 12. It can be seen from the figure that during the inlet excitation process, the Plamen se převaluje ve vnitřních a vnějších smykových vrstvách a vyvíjí se do páru víru. V tomto procesu se vývoj profilu plamene ve tvaru houby neustále vyvíjí se změnou fázového úhlu. Výsledky výpočtu VLES dobře reprodukují charakteristiky evoluce plamene pozorované v experimentu. Porovnání amplitudy a fázového rozdílu odezvy rychlosti uvolňování tepla při 160 Hz akustické excitaci získané různými metodami výpočtu a experimentálními měřeními je znázorněno na obrázku 13. Na obrázku je q 'a Q͂, že uvolňování tepelného tepla a průměrné uvolňování tepla, respektive, je to, že je to, že je to, že je to, že je v průměru, a to, že je to, že je to, že je to, že je v průměru, a to, že je to, že je to, že je to, že je v průměru, a to, že je to, že je to, že je v průměru, a to, že je to, že je to, že je v průměru, a to, že je to, že je to, že je v tepelném uvolňování. Akustická excitace a excitační signál vstupní rychlosti. Jak je vidět z obrázku, přesnost predikce metody VLES je srovnatelná s přesností velké vířivé simulace [28] a oba jsou v dobré shodě s experimentálními hodnotami. Ačkoli nestabilní metoda RANS předpovídá trend nelineární odpovědi, vypočítané kvantitativní výsledky se výrazně liší od experimentálních hodnot. Pro výsledky fázového rozdílu (obrázek 13 (b)) je trend fázového rozdílu předpovídaného metodou VLES s amplitudou narušení v zásadě konzistentní s experimentálními výsledky, zatímco výsledky velké vířivé simulace nepředpovídají výše uvedený trend dobře.
