Tutkimuksen edistyminen lentokoneiden moottorin polttokammion aerodynaamisesta suorituskyvystä, joka perustuu suureen pyörresimulaatioon
Palamiskammio on yksi lentokoneen ydinkomponenteista, ja palamiskammion aerodynaaminen suorituskyky on tärkeä rooli koko moottorin suorituskyvyssä. Palamiskammion moottorin yhä tiukempien teknisten vaatimusten täyttämiseksi palamiskammion sisällä on erittäin monimutkainen. Hajottimen hidastumis- ja paineistumisprosessi voi kohdata virtauksen erottamisen voimakkaan haittavaikutuksen gradientin alla; Ilmavirta kulkee monivaiheisen pyörrelaitteen läpi laajamittaisen pyörrerakenteen muodostamiseksi, joka toisaalta edistää nestemäisen polttoaineen sumuistamista ja haihtumista ja muodostaa voimakkaasti sykkivän, epävakauden seoksen polttoaineella ja toisaalta paikallaan olevan liekin aerodynaamisella kierrätysalueella; Pääpoltto-/sekoitusreiän useita suihkukoneita ovat vuorovaikutuksessa liekkiputken sivuttaisvirtauksen kanssa vastakkaisen pyörreparin muodostamiseksi, jolla on tärkeä vaikutus turbulenttiin sekoittamiseen. Virtauksen perusteella monimuotoiset fysikaaliset ja kemialliset prosessit, kuten sumutus ja haihtuminen, sekoitus, kemiallinen reaktio ja vuorovaikutus turbulenssin ja liekin välillä, ovat voimakkaasti kytkettyjä, jotka määrittelevät yhdessä palamiskammion aerodynaamiset ominaisuudet. Näiden fysikaalisten ja kemiallisten prosessien tarkkaan mallintaminen ja laskeminen ovat aina olleet kuuma tutkimusaihe kotona ja ulkomailla.
Palamiskammion sumutus-, haihtumis-, sekoitus- ja palamisprosessit kehittyvät ja kehittyvät turbulentissa virtausympäristössä, joten virtaus on perusta palamiskammion aerodynaamisen suorituskyvyn simuloinnille. Turbulenssin perusominaisuus on, että virtausparametrit osoittavat satunnaisen pulsaation epälineaarisesta konvektioprosessista. Turbulenssi sisältää monia pyörrerakenteita. Eri pyörteiden pituus- ja aika -asteikkojen ulottuvuus on valtavat, ja kun Reynolds -luku kasvaa, asteikkojen väliset ulot kasvavat voimakkaasti. Suoraan ratkaistujen turbulenttien pyörrerakenteiden osuuden mukaan turbulenssisimulaatiomenetelmät jaetaan suoraan numeeriseen simulointiin (DNS), Reynoldsin keskiarvoisiin navier-stokeihin (RANS), suureen pyörresimulaatioon (LES) ja sekoitetuihin turbulenssisimulaatiomenetelmiin. RANS -menetelmä, jota käytetään laajalti tekniikassa, ratkaisee turbulenssin keskiarvon ja käyttää mallia simuloimaan kaikkia turbulensseja pulsaatiotietoja. Laskentamäärä on pieni, mutta tarkkuus on huono. Vahvalle pyörteelle ja epävakaalle virtausprosesseille palamiskammiossa RANS ei pysty täyttämään puhdistetun suunnittelun vaatimuksia. Pitsch huomautti, että LES: n laskennallinen monimutkaisuus on RANS: n ja DNS: n välillä, ja sitä käytetään tällä hetkellä turbulenttisiin palamislaskelmiin rajoittamattomissa tiloissa, joissa on keskipitkä ja alhaiset Reynolds -luvut. Pienen turbulenssin pienen mittakaavan johtuen palamiskammion läheltä seinän alueella ja virtauksen korkean Reynolds-lukumäärän, pelkästään palamiskammion yhden pään laskemiseen tarvittavien verkkojen määrä on satoja miljoonia miljardeja. Tällainen korkea laskennallinen resurssien kulutus rajoittaa LES: n laajaa käyttöä polttokammion simulaatioissa.
Erittäin tarkkailulaskentamallien ja -menetelmien perustaminen erittäin suureen pyörresimulaatioon (VLES) ja hybridi RANS-Les -menetelmäkehyksiin on tärkeä suuntaus numeerisessa simulaatiossa. Han et ai. Kehittämä VLES -menetelmä. Ratkaisee alhaisen laskennallisen tehokkuuden ongelman, joka johtuu ruudukkoasteikon suodattamisesta ja turbulenssin asteikon vastaavien rajoitusten ratkaisemisesta perinteisissä LES: ssä ja toteuttaa kytkentämallinnuksen turbulenssin monimuotoisten ominaisuuksien, ohimenevien evoluutioominaisuuksien ja ruudukon resoluution välillä. , VLES säätää mukautuvasti turbulenssiliuoksen ja mallimallinnuksen välistä suhdetta pyörrerakenteen kehityksen reaaliaikaisten ominaisuuksien perusteella, vähentäen merkittävästi laskennallisia kustannuksia samalla kun varmistaa laskentatarkkuus.
Siitä huolimatta, verrattuna perinteisiin LE: iin, VLesin teoriaa ja ominaisuuksia ei ole tutkittu laajasti ja käytetty. Tämä artikkeli esittelee systemaattisesti VLES: n mallinnusteorian ja sen sovellusvaikutukset erilaisissa palamiskammioihin liittyvissä fyysisissä skenaarioissa edistäen VLE: n laajamittaista levitystä lentokoneiden moottorin polttokammion simulaation alalla.
Suuri pyörresimulaatiomenetelmä
Turbulenssisimulaatiomenetelmien vaikutus resurssien kulutukseen ja malleihin on esitetty kuvassa 1. RANS, LES- ja VLES -menetelmät saavuttavat kaikki virtaussimulaatiot turbulenssimallinnuksen avulla. On huomattava, että varhaisin selkeä määritelmä VLES: stä antoi paavi, joka viittaa "laskennallinen ruudukkoasteikko on liian karkea siten, että suoraan ratkaistu turbulentti kineettinen energia on alle 80% kaikesta turbulenttisesta kineettisestä energiasta". Samanaikaisesti paavin [6] antaman LES: n merkitys on "laskennallinen verkko on erittäin hieno, joten suoraan ratkaistu turbulentti kineettinen energia on suurempi kuin 80% kaikesta turbulenttisesta kineettisestä energiasta". Siitä huolimatta on huomattava, että tässä artikkelissa esitelty vles on uusi laskennallinen menetelmä, joka on uudistettu ja kehitetty edellisen menetelmän perusteella. Vaikka nimet ovat samat, uusi VLES -menetelmä eroaa olennaisesti paavin määrittelemästä VLES -menetelmästä. Kuten kuvasta voidaan nähdä, perinteiset turbulenssimoodit ovat RANS, uraanit, hybridi -rans/les, LES ja DNS laskelman tarkkuuden järjestyksessä. Uuden mallikehyksen mukaan turbulenssimoodit on jaettu RANS: iin, VLES: hen ja DNS: ään laskelman tarkkuuden järjestyksessä. Toisin sanoen VLES -menetelmä toteuttaa useiden perinteisten turbulenssimoodien yhdistämisen ja eri mallit adaptiivisesti siirtymisen ja muuntaa sujuvasti paikallisten ominaisuuksien mukaan todellisissa laskelmissa.
Tyypillisten fyysisten prosessien simulointi palamiskammiossa
Erittäin suuri pyörre -simulaatio voimakkaasta pyörivästä virtauksesta
Ilma-aluksen moottorin palamiskammio omaksuu yleensä Flow Field Organisation -muodot, kuten monivaiheinen pyörre ja vahva pyörre. Swirl -virtaus on palamiskammion perusvirtausmuoto. Koska Swirl on hallitseva sekä virtaussuunnassa että tangentiaalisessa suunnassa, pyörre -turbulenttisessa pulsaatiossa on voimakkaampi anisotropia kuin perinteisen putken virtauksen, kanavan virtauksen ja suihkuvirtauksen. Siksi pyörteen numeerinen simulointi asettaa suuren haasteen turbulenssin simulointimenetelmään. Xia et ai. käytti VLES -menetelmää laskemaan klassinen vahva pyörrevirtausesimerkki putkessa; Dellenback et ai. [14] suoritti virtauskenttäkokeet tässä esimerkissä ja niillä on yksityiskohtainen kokeellinen tieto. Lasketun esimerkin Flow Reynolds -numero on 1. 0 × 105 (pyöreän putken halkaisijan perusteella) ja pyörreiden lukumäärä on 1,23. Laskennassa käytetään kahta jäsenneltyjä verkkoja. Harvojen ruudukkojen kokonaismäärä (M1) on noin 900, 000 ja salattujen verkkojen kokonaismäärä (M2) on noin 5,1 miljoonaa. Laskemalla saadut tilastolliset momentin tulokset verrattuna kokeellisiin tuloksiin VLES -menetelmän laskentatarkkuuden todentamiseksi.
Eri menetelmien laskentatulosten vertailu ja kehän keskimääräisen keskimääräisen nopeuden ja sykkivänopeuden säteittäisen jakautumisen kokeelliset tulokset voimakkaan pyörivän virtauksen alla olevissa alavirran asennoissa on esitetty kuvassa 4. Kuvassa vaaka- ja pystysuuntaiset koordinaatit ovat mitoittamaton etäisyys ja dimensioton nopeus, missä D1 on sisaren halkaisija ja ui -sisaran ja uinin. nopeus. Kuten kuvasta voidaan nähdä, virtauskenttä näyttää tyypillisen rankinimaisen yhdistelmämyrskyn, joka siirtyy vähitellen yhdeksi jäykäksi kehon pyörteelle. Vertaamalla laskelmia ja kokeellisia tuloksia voidaan havaita, että VLES -menetelmällä on korkea laskelman tarkkuus voimakkaan pyörteisen virtauksen kehän nopeuden ennustamiseksi, mikä on hyvin sopusoinnussa kokeellisten mittausten jakautumisen kanssa. Perinteisellä RANS -menetelmällä on erittäin suuri poikkeama pyörteiden virtauksen laskennassa, eikä se voi oikein ennustaa pyörrevirtauskentän ja turbulenttisen sykkeen alueellista kehitystä. Vertailun vuoksi VLES -menetelmällä on erittäin suuri tarkkuus keskimääräisen nopeuskentän ennustamisessa, sykkivänopeuskentän ja spatiaalisen kehityksen monimutkaisessa vahvan pyörteisen virtauksen alla, ja se voi silti taata korkean laskentatarkkuuden jopa suhteellisen harvalla ruudukon resoluutiolla. Ympyrän keskimääräisen nopeuden ennustamiseksi VLES -menetelmän laskentatulokset ovat periaatteessa yhdenmukaisia kahdessa harvan ja tiheän ruudukon resoluutiossa.
Suuri pyörresimulaatio turbulenttisesta palamisesta
VLES -menetelmän toteutettavuuden tutkimiseksi turbulenttien palamisongelmien [15-16] ennustamisessa kehitettiin turbulentti palamismalli, joka perustuu VLES -menetelmään yhdistettynä liekkaita tuotettuihin jakoputkiin (FGM). Perusajatuksena on olettaa, että turbulenssi liekki on paikallisesti yksiulotteinen laminaarinen liekin rakenne ja turbulentti liekin pinta on laminaaristen liekin pintojen sarjan keskiarvo. Siksi korkean ulottuvuuden komponenttitila voidaan kartoittaa matalaulotteiseen virtauskuvioon, joka koostuu useista ominaismuuttujista (seosfraktio, reaktion etenemismuuttuja jne.). Yksityiskohtaisen reaktiomekanismin huomioon ottamisen ehtona ratkaistavana olevien kuljetusyhtälöiden lukumäärä vähenee huomattavasti, mikä vähentää merkittävästi laskennallisia kustannuksia.
Erityinen toteutusprosessi on rakentaa FGM -laminaarinen tietotaulukko seoksen fraktion ja reaktion etenemismuuttujien perusteella, harkitse turbulenssin palamisen välistä vuorovaikutusta olettamalla todennäköisyystiheysfunktiomenetelmä laminaarisen tietotaulukon integroimiseksi ja siten hankkimalla turbulentti tietotaulukko. Numeerisessa laskelmassa seosfraktion, reaktion etenemismuuttujien ja vastaavan varianssin kuljetusyhtälöt ratkaistaan ja palamiskenttätiedot saadaan kyselemällä turbulentti datataulukko.
VLES: ään ja FGM: ään perustuvaa turbulenssia palamismallia käytettiin numeeristen laskelmien suorittamiseen metaani/ilma -turbulenttisessa suihkun liekissä (liekki D), jonka Sandia -laboratorio mitattiin Yhdysvalloissa, ja kvantitatiiviset vertailut tehtiin kokeellisella mittaustiedolla. Sandia Flame D -esimerkin polttoainemateriaali (Reynolds -luku on 22400) on täydellinen metaanin ja ilman seos, jonka tilavuussuhde on 1: 3, polttoaineen sisääntulon nopeus on noin 49,9 m/s ja herätysnopeus on noin 11,4 m/s. Duty -liekki on sekoitus poltettua metaania ja ilmaa, ja herätysmateriaali on puhdasta ilmaa. Laskelmassa käytetään jäsenneltyä verkkoa, ja verkkojen kokonaismäärä on noin 1,9 miljoonaa.
Eri komponenttien keskimääräisen massafraktion jakautuminen akselia pitkin on esitetty kuviossa 5. Kuvan vaakasuorat ja pystysuuntaiset koordinaatit ovat mitaton etäisyys (D2 on vastaavasti tulosuihkuputken halkaisija) ja mitaton massafraktio. Kuvasta voidaan nähdä, että palamisprosessin pääkomponenttien ennustaminen VLES -menetelmällä on yleensä sopusoinnussa kokeellisten tulosten kanssa. Lämpötilan hajallaan oleva jakautuminen eri alavirran asentoissa seoksen fraktiotilassa on esitetty kuvassa 6. Kuviosta voidaan nähdä, että VLES -menetelmällä ennustettu hajallaan oleva jakautumisrendi on periaatteessa yhdenmukainen kokeellisten tulosten kanssa ja vain laskettu lämpötilan ääriarvo on hiukan korkeampi kuin kokeellinen arvo. VLES: llä laskettu hetkellisen pyörteen, lämpötilan ja resoluution ohjaustoiminnon jakautuminen on esitetty kuvassa 7, jossa kiinteä viiva otetaan zst =0. 351. Kuvasta voidaan nähdä, että ydinsuihkualueella on voimakas turbulentti pulsaatio, ja kun virtauskenttä kehittyy alavirtaan, pyörrerakenteen asteikko kasvaa vähitellen. Kuten kuviosta 7 (b) ja (c) voidaan nähdä, useimmilla kemiallisilla reaktioalueilla resoluution ohjaustoiminto on välillä 0 ja 1, mikä osoittaa, että paikallinen ruudukon resoluutio voi kaapata suuren mittakaavan turbulenssia ja simuloida vain pienimuotoisen turbulenssin läpi mallin läpi. Tällä hetkellä Vles käyttäytyy likimääräisenä suurena pyörresimulaatioratkaisutilana. Jet -leikkauskerroksessa ja alavirran liekin ulkoreunassa resoluution ohjaustoiminto on lähellä 1, mikä osoittaa, että laskennallisen ruudukon katkaistu suodatinasteikko on suurempi kuin paikallinen turbulenssiasteikko. Tällä hetkellä Vles käyttäytyy epävakaasti Reynoldsin keskimääräisenä ratkaisutilana. Yhteenvetona voidaan todeta, että VLES-menetelmä voi toteuttaa monien turbulenssiliuotusmoodien muuntamisen pyörrerakenteen kehityksen reaaliaikaisten ominaisuuksien mukaisesti ja voi ennustaa tarkasti turbulenttien liekkien epävakaan palamisprosessin.
Koko atomisointiprosessin suuri pyörre -simulointi
Suurin osa lentokoneen polttokammiossa käytetystä polttoaineesta on nestemäistä polttoainetta. Nestemäinen polttoaine tulee palamiskammioon ja käy läpi primaarisen sumutus- ja sekundaariset sumuutusprosessit. Nestemäisen polttoaineen täydellisen sumuutusprosessin simulointi on monia vaikeuksia, mukaan lukien kaasu-neste-kaksivaiheisen topologisen rajapinnan kokoonpanon, nestemäisen pylvään muodonmuutoksen ja repeämän kaappaus, nestekantojen ja nestekilvon hajoamiskehitys pisaroihin sekä turbulenttivirtauksen ja pisaroiden välisen vuorovaikutuksen. Huang Ziwei [19] kehitti täydellisen atomisointiprosessin simulointimallin, joka perustuu VLES-menetelmään yhdistettynä VoFDPM-hybridi-atomisointimenetelmään, toteuttaen polttoainekatomistuksen kokonaisprosessin numeerisen simuloinnin jatkuvasta nesteestä erillisiin pisaroihin.
Äskettäin kehitettyä atomisointiprosessin simulointimallia käytettiin klassisen sivuttaisvirtauksen nestepylvään sumuutusprosessin tarkkaan numeeristen laskelmien suorittamiseen, ja avoimen kirjallisuuden [2 0] kokeellisilla tuloksilla tehtiin yksityiskohtainen vertailu ja suuren pyörresimulaation laskentatulokset [21]. Laskentaesimerkissä kaasufaasi on ilma, jonka nopeudet ovat vastaavasti 77,89 ja 110,0 m/s, ja nestemäinen faasi on nestemäinen vesi, jonka nopeus on 8,6 m/s. Vastaavat Weber -luvut ovat vastaavasti 100 ja 200. Toissijaisen hajoamisprosessin simuloimiseksi paremmin hajotusmalli hyväksyy Kelvin-Helmholtzin ja Rayleigh-Taylor (KHRT) -mallin.
Weber -numeron 100 ehdon alla ennustettu täydellinen atomisointiprosessi on esitetty kuvassa 8. Kuten kuviosta voidaan nähdä, alkuperäisellä alueella muodostuu ohut nestemäisen pylvään arkki ja sitten nestekarakkeet jakautuvat nestemäisiksi kaistaiksi ja nestemäisiksi filamenteiksi ja hajoaa pisaroiksi aerodynaamisen voiman vaikutuksen alla ja pisarat jakautuvat edelleen pienemmiksi pisaroiksi toissijaisen murtumisen läpi. Virranopeus ja spanwise-pyörteisyysjakauma, joka on laskettu VLE: llä Weber-numeron 100-olosuhteen alla, on esitetty kuvassa 9. Kuten kuvasta voidaan nähdä, nestepylvään leetulla puolella on tyypillinen hitauden kierrätysvyöhyke. Se löytyy hetkellisestä pyörteisyyden jakautumisesta, että nestemäisen pylvään Leeward-puolella on vahva pyörrerakenne, ja voimakkaan turbulentti liike hitauden kierrätysvyöhykkeellä myötävaikuttaa nestepylvään levyn ja pisaroiden muodostumiseen.
Alkuperäisen suihkun halkaisijan suhde nestemäisen suihkun minimivirtausmittaan, kun nestemäinen pylväs alkaa hajota eri Weber -lukujen alla, on esitetty kuvassa 10. Kuvassa DI on nesteen suihkun minimivirtausmitta, kun nestemäinen pylväs alkaa hajottaa ja D3 on alkuperäinen nesteen suihkun halkaisija. Kuvasta voidaan nähdä, että VLES -laskentatulokset ovat hyvin sopusoinnussa kokeellisten tulosten kanssa, jotka ovat parempia kuin kirjallisuuden suuret pyörresimulaatiotulokset [21].
Palamisen epävakaus erittäin suuri pyörre -simulaatio
Pienen päästöjen vaatimusten täyttämiseksi siviililentokoneiden palamiskammiot on yleensä suunniteltu esisekoitettuun tai osittain esisekoitettuun laihaan palamiseen. Lean -esisekoitetulla palamisella on kuitenkin huono stabiilisuus ja se on taipuvainen herättämään lämpöakustista kytkettyä värähtelypolttoainetta, mikä johtaa palamisen epävakauden. Palamisen epävakaus on erittäin tuhoisa, ja siihen voi liittyä ongelmia, kuten flashback ja vankka muodonmuutos, mikä on näkyvä ongelma, johon polttokammion suunnittelu kohtaa.
Palamisen epävakauden numeerinen laskenta voidaan jakaa kahteen luokkaan: DePopping -menetelmä ja suora kytkentämenetelmä. Polun epävakauden ennustamismenetelmä irrottaa epävakaat palamis- ja akustiset ratkaisut. Epävakaa palaminen vaatii suuren määrän numeerisia laskentanäytteitä luotettavan liekin kuvaustoiminnon rakentamiseksi. Jos käytetään suurta pyörresimulaatiomenetelmää, sen laskentavarojen kulutus on liian suuri. Suora kytkentälaskentamenetelmä perustuu puristettavaan ratkaisumenetelmään ja saa suoraan palamisen epävakauden tuloksen korkean tarpeellisen epävakauden laskelman avulla, toisin sanoen epävakaan palamisen ja akustian kytkentälaskentaprosessin avulla suoritetaan kerrallaan samassa laskentakehyksessä.
Palamisen epävakauden irrottamisen numeerisen simuloinnin tutkimuksessa Huang et ai. [27] kehitti palamisen epävakauden laskentamallin, joka perustuu VLES -menetelmään yhdistettynä paksuuntuvan liekin laskentamenetelmään ja saavutti tarkan ennusteen epävakaasta palamisprosessista akustisen virityksen alla. Laskentaesimerkki on Cambridge Universityn kehittämä tylsä runko paikallaan oleva etyleeni/ilma täysin esisekoitettu liekki, jonka ekvivalenssisuhde on 0. 55 ja Reynolds -lukumäärä noin 17000. VLES -laskelmien tulosten vertailu ja epävakauden liekin dynaamisten ominaisuuksien välinen kokeellinen tulos on esitetty kuvassa 12. rullaa sisä- ja ulko- ja ulkomuotokerroksissa ja kehittyy vastarataavaksi pyörrepariksi. Tässä prosessissa sieni-muotoisen liekkiprofiilin kehitys kehittyy edelleen vaihekulman muuttuessa. VLES -laskentatulokset toistavat kokeen havaitut liekin kehitysominaisuudet hyvin. Lämmön vapautumisnopeusvasteen amplitudi- ja faasieron vertailu alle 160 Hz: n akustisella virityksellä, joka on saatu erilaisilla laskentamenetelmillä ja kokeellisilla mittauksilla, on esitetty kuviossa 13. Kuvassa Q 'ja Q͂ ovat vastaavasti sykkivä lämmön vapautuminen ja keskimääräinen lämmön vapautuminen, vastaavasti a, a, joka on kuvion 13 (b) -suuntauksen oranssi (b). Akustinen viritys ja sisääntulon nopeuden herätyssignaali. Kuten kuvasta voidaan nähdä, VLES -menetelmän ennustetarkkuus on verrattavissa suuren pyörresimulaation tarkkuuteen [28], ja molemmat ovat hyvin sopusoinnussa kokeellisten arvojen kanssa. Vaikka epävakaa RANS -menetelmä ennustaa epälineaarisen vasteen suuntauksen, lasketut kvantitatiiviset tulokset poikkeavat suuresti kokeellisista arvoista. Vaiheerotuloksille (kuva 13 (b)) VLES -menetelmällä ennustetun vaiheeron trendi häiriöamplitudilla on periaatteessa yhdenmukainen kokeellisten tulosten kanssa, kun taas suuret pyörresimulaatiotulokset eivät ennusta yllä olevaa suuntausta hyvin.
