Istraživanje napretka aerodinamičkog performansu avionskog motora gorenjačne komore temeljeno na velikoj eddysimulaciji

Istraživanje napretka aerodinamičkog performansu avionskog motora gorenjačne komore temeljeno na velikoj eddysimulaciji

Palilna komora je jedan od osnovnih komponenta letskog motora, i aerodinamički izvedenost palilne komore igra ključnu ulogu u performansama cijelog motora. Kako bi se ispunile sve čeganje stroži tehnički zahtjevi motora prema palilnoj komori, način organizacije paljenja i strujne karakteristike unutar palilne komore postale su vrlo složene. Proces usporavanja i pritisnute u difuzoru može susretati odvojenom strujanju pod utjecajem jakog nepovoljnog tlaka; zrak prolazi višestrukim vrtložnim uređajima stvarajući veliku vrtlužnu strukturu, koja s jedne strane poboljšava rasipanje i isparivanje tekućeg goriva i formira jachno pulsirajuću, nestabilnu smjesu s gorivom, a s druge strane stvara stalno plameno u aerodinamičkoj recirkulacijskoj zoni; višestruki jetovi glavnog otvor za paljenje/miješanje interagiraju s bočnim strujanjem u plamenoj cijevi stvarajući suprotno rotirajući par vrtloga koji imaju važan utjecaj na turbulentno miješanje. Na temelju strujanja, višeskalne fizičke i kemikalne procese kao što su rasipanje i isparivanje, miješanje, kemikalne reakcije i interakcija između turbulence i plamena jake su povezane, zajedno određujući aerodinamičke karakteristike palilne komore. Visoko precizno modeliranje i računanje ovih fizičkih i kemikalnih procesa uvijek je bilo popularna tema istraživanja u domini i inozemstvu.

Procesi atomizacije, evaporacije, miksa i gorenja u gorivaču razvijaju se i evoluiraju u turbulentnom točno okruženju, pa je točno osnovni element za simulaciju aerodinamičkog performans gorivača. Osnovna karakteristika turbulence je da parametri toka prikazuju slučajne pulzacije zbog nelinearnog konvekcione procesa. Turbulence sadrži mnoge vrtežne strukture. Razponi različitih vrteža u duljinskim i vremenskim skalama su ogromni, a s porastom Reynolds broja, razmaci između skala oštro rastu. Prema proporciji turbulentnih vrtežnih struktura koje su izravno riješene, simulacija turbulence  metode se dijele na direktnu numeričku simulaciju (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), velike vorteksne simulacije (LES) i hibridne metode simulacije turbulentnosti. RANS metoda, koja se široko koristi u inženjerstvu, rješava turbulentno srednje polje i koristi model za simuliranje svih informacija o turbulentnim pulsaćima. Izračun je malo obavljanja, ali je točnost loša. Za jake vrtložne i nestaljne protokove u gorivnu, RANS ne može ispunjiti zahtjeve preciznog dizajna. Pitsch je istaknuo da je računalna složenost LES-a između RANS-a i DNS-a, i trenutno se koristi za izračune turbulentnog gorenja u prostorima bez ograničenja s srednjim i niskim Reynolds brojem. Zbog male dimenzije turbulentnosti u blizini zida goriva i visokog Reynolds broja protoka, količina mreže potrebna za LES izračun samo jednog glave goriva iznosi stotine milijuna do milijardi. Tako visoka potrošnja računalnih resursa ograničava širokupotrebu LES-a u simulacijama goriva.

Ustanovljivanje modela i metoda visokopreciznog računanja temeljenih na okviru Vrlo Velikih Vrtloga (VLES) i Hibridnom RANS-LES Metodu predstavlja važan trend u numeričkoj simulaciji. VLES metoda koju je razvila Han i suradnici riješila je problem niske računskoe učinkovitosti uzrokovane filtrom mrežne veličine i ograničenjem prilagođavanja turbulencije u tradicionalnoj LES metodi, te omogućila je spojninsko modeliranje između višeskalnih karakteristika turbulencije, privremenih evolucijskih karakteristika i mrežne rezolucije. VLES prilagodivo regulira omjer između rješavanja turbulencije i modeliranja na temelju stvarnih karakteristika evolucije vrtlogastih struktura, značajno smanjujući računske troškove dok istovremeno osigurava preciznost računanja.

Ipak, u usporedbi s tradičnom LES, teoriju i karakteristike VLES-a još nije široko istraživano i primijenjeno. Ovaj članak sustavno predstavlja modelnu teoriju VLES-a i njegove efekte primjene u različitim fizičkim scenarijima povezanim s gorišnjim komoranama, što potiče širokuprogamnu primjenu VLES-a u području simulacije gorišnjih komora letskih motora.

Metoda velikih vrtloga

Prikazana je utjecaja metoda simulacije turbulentnosti na potrošnju računalnih resursa i modele u Slici 1. RANS, LES i VLES metode sve postižu simulaciju toka kroz modeliranje turbulentnosti. Treba napomenuti da je najranije jasno definiranje VLES-a dao Pope, što se odnosi na "računalnu mrežnu razinu koja je prekršena tako da je direktno riješena turbulentna kinetička energija manja od 80% ukupne turbulentne kinetičke energije". Isto vrijeme, Pope [6] daje smisao LES kao "računalna mreža je vrlo fina tako da je direktno riješena turbulentna kinetička energija veća od 80% ukupne turbulentne kinetičke energije". Ipak, treba napomenuti da je VLES koji se uvodi u ovom članku nova računskometoda koja je remodelirana i razvijena na temelju ranijeg pristupa. Iako su nazivi isti, novi VLES metod suštinski se razlikuje od VLES metode definirane od strane Popea. Kao što je vidljivo slike, tradicionalni režimi turbulentnosti su RANS, URANS, hibridni RANS/LES, LES i DNS redom po izračunskoj točnosti. U okviru nove modelne strukture, režimi turbulentnosti podijeljeni su na RANS, VLES i DNS redom po izračunskoj točnosti. To znači da VLES metoda ostvaruje unifikaciju više tradicionalnih režima turbulentnosti, a različiti modeli adaptivno prelaze i pretvaraju se glatko prema lokalnim karakteristikama u stvarnim izračunima.

Simulacija tipičnih fizičkih procesa u sagorevalnoj komori

VLES simulacija jake vijugaste toka

Sagorevalna komora letskog motora obično koristi oblike organizacije toka poput višestruke vijuge i jake vijuge. Vijugasti tok je osnovni oblik toka u sagorevalnoj komori. Budući da je vijuga dominantna u oba smjera, strujanja i tangencijalnog, turbulentne pulzacije vijuge imaju jaču anizotropiju od tradicionalnog cjevovodnog toka, kanalskog toka i jet toka. Stoga numerička simulacija vijuge stavlja veliku izazov metodi simulacije turbulentnosti. Xia i suradnici su koristili VLES metodu za računanje klasičnog primjera jakog vijugastog toka u cijevi; Dellenback i suradnici [14] provedeni su eksperimenti s poljem toka na ovom primjeru i imaju detaljne eksperimentalne podatke. Reylsov broj toka izračunatog primjera iznosi 1.0 × 105 (uzimajući u obzir promjer kružnog cijevi) i broj vijaka je 1.23. Za izračun koriste se dvije skupine strukturiranih mreža. Ukupan broj rijetkih mreža (M1) iznosi oko 900.000, a ukupan broj šifriranih mreža (M2) iznosi oko 5,1 milijuna. Statistički momenti koji su dobiveni računanjem dalje se uspoređuju s eksperimentalnim rezultatima kako bi se potvrdila izračunata točnost VLES metode.

Prikaz usporedbe rezultata računanja različitih metoda i eksperimentalnih rezultata radijalne distribucije prosječne obodne brzine i pulsirajuće brzine na različitim dolodišnim pozicijama u uvjetima jakog vrtloga prikazan je na slici 4. Na slici su horizontalna i vertikalna koordinata bezdimenzionalni udaljenost i bezdimenzionalna brzina, odnosno, gdje je D1 promjer ulazne kružne cijevi, a Uin prosječna ulazna brzina. Iz slike je očito da se polje toka prikazuje kao tipičan Rankinov složeni vrtlog koji postupno prelazi u jedinstveni čvrst tijelni vrtlog. Usporedbom izračunatih i eksperimentalnih rezultata može se zaključiti da VLES metoda ima visoku točnost računanja za predviđanje obodne brzine u jakim vrtlogovima, što je u dobroj skladnosti s distribucijom mjerenja. Tradicionalna RANS metoda ima vrlo veliku devijaciju u računanju vrtloga i ne može ispravno predvidjeti prostornu evoluciju vrtlogovog polja i turbulentnog pulsiranja. U usporedbi, VLES metoda ima vrlo visoku točnost u predviđanju prosječnog polja brzine, pulsirajućeg polja brzine i prostorne evolucije u kompleksnim uvjetima jakog vrtloga, a može osigurati visoku točnost računanja čak i kod relativno retke mreže. Za predviđanje prosječne obodne brzine, izračunski rezultati VLES metode su gotovo identični za dvije skupine retke i gusto popunjene mreže.

Velika Eddy simulacija turbulentnog gorenja

Kako bi se proučila mogućnost primjene VLES metode u predviđanju problema turbulentnog gorenja [15-16], razvio se model turbulentnog gorenja temeljen na VLES metodi spojenoj s flamenoidnim generiranim mnogostrukostima (FGM). Osnovna ideja je pretpostaviti da lokalno turbulentni plamena ima jednodimenzionalnu laminarnu strukturu plamena, a površina turbulentnog plamena je skupinski prosječna vrijednost serije laminarnih površina plamena. Stoga se visedimenzionalni prostor sastojaka može preslikati u nizodimenzionalni protjeci sastavljen od nekoliko karakterističnih varijabli (mješoviti udio, promjenljiva napretka reakcije itd.). U uvjetima kada se uzme u obzir detaljni mehanizam reakcije, broj transportnih jednadžbi koje treba riješiti znatno se smanjuje, čime se značajno smanjuje izračunski trošak.

Posebni postupak implementacije je izgradnja FGM laminarnog tablica podataka na temelju mješovite frakcije i varijabli napretka reakcije, uzimajući u obzir interakciju između turbulentnog gorenja pretpostavljajući metodu funkcije gustoće vjerojatnosti za integraciju laminarnog tablica podataka, te time dobivati turbulentnu tablicu podataka. U numeričkom računanju rješavaju se transportne jednadžbe mješovite frakcije, varijabli napretka reakcije i odgovarajućih varijansi, a informacije o polju gorenja dobivaju se upitom turbulentne tablice podataka.

Model turbulentnog gorenja temeljen na VLES i FGM je korišten za izvođenje numeričkih računanja na turbulentnom plamskom jetu metana/zraka (Flame D) merenom u laboratoriju Sandia u Sjedinjenim Državama, a provedene su kvantitativne usporedbe s eksperimentalnim mjeriteljskim podacima. Gorivo u primjeru Sandia Flame D (Reynolds broj je 22400) sastoji se od potpunog mešanja metana i zraka s volumenskim omjerom od 1:3, brzina ulaznog goriva iznosi oko 49,9 m/s, a brzina u blagostrujnoj zoni iznosi oko 11,4 m/s. Radno plameno je mešavina ogorijelog metana i zraka, a materijal u blagostrujnoj zoni čist zrak. Izračun koristi strukturirane mreže, a ukupan broj mreža iznosi oko 1,9 milijuna.

Prikaz raspodjele prosječne masene frakcije različitih komponenti duž osi je dano na slici 5. Horizontalne i vertikalne koordinate na slici su bezdimenzionalno rastojanje (D2 je promjer ulazne jetske cijevi) i bezdimenzionalna masena frakcija, redom. Iz slike je vidljivo da predviđanje glavnih komponenti procesa gorenja VLES metodom uopće dobro odgovara eksperimentalnim rezultatima. Prikaz raspršene distribucije temperature na različitim doljezgodnim pozicijama u prostoru mešanja je dano na slici 6. Iz slike je vidljivo da trend raspršene distribucije predviđen VLES metodom osnovno odgovara eksperimentalnim rezultatima, a samo izračunata ekstremna vrijednost temperature je malo viša od eksperimentalne vrijednosti. Distribucija trenutnog vorticita, temperature i funkcije kontroliranja rješenja izračunate VLES metodom prikazana je na slici 7, gdje se točka uzima kao Zst=0.351. Iz slike je vidljivo da se zona jetskog jezgra pokazuje sa jakim turbulentnim pulzacijama, a kako se polje toka razvija prema doljezgodnom pravcu, mjerodavac strukture vorteksa postupno raste. Kao što je vidljivo iz slike 7 (b) i (c), u većini područja kemikalne reakcije, funkcija kontroliranja rješenja nalazi se između 0 i 1, što ukazuje na to da lokalna mrežna razlučivost može uhvatiti velike skale turbulence i simulirati male skale turbulence isključivo kroz model. U tom trenutku VLES ponaša kao približno režim rješenja velikih eddija. U sloju jetske presjeka i na vanjskom rubu plamena doljezgodno, funkcija kontroliranja rješenja blizu je 1, što ukazuje na to da je odsjecak filtra računalne mreže veći od lokalne skale turbulence. U tom trenutku VLES ponaša kao režim neustaljenog Rejnosovog prosječnog rješenja. U kratak pregled, može se zaključiti da VLES metoda može ostvariti transformaciju više režima rješavanja turbulence prema stvarnim karakteristikama evolucije strukture vorteksa, te precizno predvidjeti nestabilni proces gorenja u turbulentnim plamenovima.

Simulacija velikih vrtloga cijelog procesa atomizacije

Većina goriva koje se koristi u sagorivaču avionskog motora je tekuće gorivo. Tekuće gorivo ulazi u sagorivač i prodjere procese prve i druge atomizacije. Postoji mnogo izazova pri simulaciji cijelog procesa atomizacije tekućeg goriva, uključujući praćenje konfiguracije topološkog sučelja dvofaznog gas-tekutina sustava, deformiranje i prolamanje stupca tekućine, razbijanje i evoluciju tekućih traka i nižica u kapljice, te interakciju između turbulentnog toka i kapljica. Huang Ziwei [19] je razvio model za simulaciju cijelog procesa atomizacije temeljen na metodi VLES spojenoj s VOFDPM hibridnom metodom računanja atomizacije, što je omogućilo numeričku simulaciju cijelog procesa atomizacije goriva od neprekinute tekućine do diskretnih kapljica.

Koristio se novookvirani simulacijski model atomizacije za provedbu visokopreciznih numeričkih izračuna klasičnog procesa atomizacije strujanja tečnosti u bočnom pravcu, a provedena je detaljna usporedba s eksperimentalnim rezultatima u otvorenoj literaturi [20] i rezultatima izračuna s velikim eddijima [21]. U primjeru izračuna, plinovati faza je zrak sa brzinama od 77,89 i 110,0 m/s, redom, a tečnovata faza je voda sa brzinom od 8,6 m/s. Odgovarajući Weberovi brojevi iznose 100 i 200, redom. Radi boljeg simuliranja sekundarnog procesa razbijanja, model razbijanja koristi Kelvin-Helmholtz i Rayleigh-Taylor (KHRT) model.

Potpuni proces atomizacije koji je predviđen VLES-om za uvjet Webergovog broja 100 prikazan je na slici 8. Kao što se može vidjeti slike, u početnoj zoni formira se tanka strujna ploča tečnosti, a zatim se stupac tečnosti razbija na trake i nižice tečnosti, koje se pod djelovanjem aerodinamičke sile pretvaraju u kapljice, a kapljice se dalje razbijaju u manje kapljice kroz sekundarno razbijanje. Distribucija brzine toka i vorticiti u smjeru širine izračunata VLES-om za uvjet Webergovog broja 100 prikazana je na slici 9. Kao što se može vidjeti slike, postoji tipična zona sporostrujnog ponovnog cijevanja na leedu od stupca tečnosti. Iz trenutne distribucije vorticita može se zaključiti da leed stupca tečnosti ima jaku vrtiljinsku strukturu, a jak turbulanten pokret u zoni sporostrujnog ponovnog cijevanja doprinosi prolomu ploče stupca tečnosti i formiranju kapljica.

Omjer između početnika promjera strujanja i minimalne dimenzije promjera tekućinskog strujanja kada se stupac tekućine počne raspadati za različite Weberske brojeve prikazan je na slici 10. U slici, di predstavlja minimalnu dimenziju promjera tekućinskog strujanja kada se stupac tekućine počne raspadati, a D3 je početni promjer tekućinskog strujanja. Iz slike je vidljivo da su rezultati VLES računanja u dobroj skladnosti s eksperimentalnim rezultatima, što je bolje od rezultata računanja velikih vrtloga navedenih u literaturi [21].

Nestabilnost gorenja Veliki Eddy Simulacija

Kako bi se ispunile zahtjevi za niske emisije, goriva kamere za gorenje građanskih letelica obično su dizajnirane s premešanim ili djelomično premešanim sićušnim gorenjem. Međutim, sićušno premešano gorenje ima lošu stabilnost i lako može izazvati termoakustički spojene oscilacijske režime goreњa, što vodi do nestabilnosti pri gorenju. Nestabilnost pri gorenju je vrlo uništavajuća i može biti uzrokovana problemima poput povratka plamena (flashback) i deformacije čvrstog materijala, što je istaknut problem s kojim se suočava dizajn kamere za gorenje.

Numeričko računanje nestabilnosti sagoriva može se podijeliti u dvije kategorije: metodu odvojene povezivanja i metodu izravnog spojivanja. Metoda predviđanja nestabilnosti sagoriva s odvojenim spojem odvaja neustaljeno sagorivački proces od akustičkog rješenja. Neustaljeno sagorivački proces zahtjeva veliki broj numeričkih uzoraka računanja kako bi se izgradila pouzdana funkcija opisa plamena. Ako se koristi metoda velikih vrtloga (LES), potrošnja računskih resursa je prevelika. Izravna metoda spojnog računanja temelji se na metodi kompresibilnog rješavanja i direktno dobiva rezultat nestabilnosti sagoriva putem visokotocnog neustaljenog računanja, to jest, proces spojnog računanja neustaljenog sagoriva i akustike u zadanim radnim uvjetima obavlja se jednom unutar istog računskog okvira.

U proučavanju numeričke simulacije dekupliranja nestabilnosti gorenja, Huang i suradnici [27] razvili su model izračuna nestabilnosti gorenja temeljen na metodi VLES spojenoj s metodom proširenja flame, i postigli su točno predviđanje nestabilnog procesa gorenja pod zvučnim pobuđivanjem. Primjer izračuna je stacionarni etilen/vezica potpuno premešani plamen s tupim tijelom razvijen od strane Sveučilišta u Cambridgeu, s koeficijentom ekvivalencije 0.55 i Reynolds brojem oko 17000. Usporedba između rezultata izračuna VLES i eksperimentalnih rezultata nestabilnih dinamičkih karakteristika plamena pod zvučnim pobuđivanjem prikazana je na slici 12. Iz slike se vidi da tijekom procesa ulaznog pobuđivanja, plamen se kruti na unutarnjim i vanjskim slojevima presjeka i evoluirao u par protusmjerne rotacije. Tijekom ovog procesa, evolucija oblika plamena u obliku gljive nastavlja se razvijati uz promjenu fazi kuta. Rezultati izračuna VLES dobro reprodukuju karakteristike evolucije plamena opažene u eksperimentu. Usporedba amplituda i fazi razlike odgovora brzine otpuštanja topline pod zvučnim pobuđivanjem od 160 Hz dobivenih različitim računskim metodama i eksperimentalnim mjerenjima prikazana je na slici 13. U slici su Q' i Q ͂ pulsirajući otpuštanje topline i prosječno otpuštanje topline tijekom gorenja, odnosno, A je amplituda sinusoidalne zvučne iznajmljene akustične ekspozicije, a ordinata Slike 13 (b) je fazni razliku između privremenog signala otpuštanja topline gorenja pod akustičnom ekspozicijom i signala brzine ulazne brzine. Kao što se vidi na slici, preciznost predviđanja VLES metode usporediva je s preciznošću velikih vrtlogovitih simulacija [28], a oba su u dobroj skladnosti s eksperimentalnim vrijednostima. Iako nestabilna RANS metoda predviđa trend nelinearnog odgovora, izračunate količinske rezultate znatno odlaze od eksperimentalnih vrijednosti. Za rezultate faznog razlika (Slika 13 (b)), trend faznog razlike predviđen VLES metodom uz amplitudu motnje uglavnom je u skladu s eksperimentalnim rezultatima, dok velike vrtlogovite simulacije ne predviđaju navedeni trend dobro.