Forskningsframsteg på aerodynamisk ytelse for flymotorens forbreningskammer basert på store eddy-simulering

Forskningsframsteg på aerodynamisk ytelse for flymotorens forbreningskammer basert på store eddy-simulering

Forkjæringskammeret er ett av de viktigste komponentene i en flymotor, og den aerodynamiske ytelsen til forkjæringskammeret spiller en avgjørende rolle for ytelsen på hele motoren. For å oppfylle de stadig strengere tekniske kravene som stilles til forkjæringskammeret fra motoren, har organiseringen av forkjæringen og strømningsegenskapene inne i kammeret blitt veldig kompleks. Reduserings- og trykkpåfyllingsprosessen i diffusoren kan møte strømningseparasjon under en sterkt ugunstig trykkgradient; luftstrømmen går gjennom et flertrinns-svirl-apparat for å danne store skala virvelstrukturer, som på den ene siden fremmer fordypningen og fordampningen av den faste brøyten og danner et sterkt pulserende, ustabil blandelse med brøllen, og på den andre siden genererer en stasjonær flamme i aerodynamiske returstrømningssonen; de flere strålene fra hovedforkjærings-/blandingshullet interagerer med den laterale strømmen i flammepipen for å danne en motsatt roterende virvelpar, som har en viktig innflytelse på turbulent blanding. På grunnlaget av strømningen er flere skala fysiske og kjemiske prosesser som fordypning og fordampning, blanding, kjemisk reaksjon og interaksjon mellom turbulence og flamme sterkt koblet, som fellesvis bestemmer aerodynamiske egenskaper til forkjæringskammeret. Den nøyaktige modelleringen og beregningen av disse fysiske og kjemiske prosessene har alltid vært et populært forskningsemne både hjemme og utland.

Nedbrytingen, fordampningen, blandingen og forbreningsprosessen i forbreningskammeret utvikler og evolverer i et turbulent strømninger miljø, så strømning er grunnlaget for simuleringen av aerodynamiske ytelsesegenskaper til forbreningskammeret. Den grunnleggende karakteristika av turbulens er at strømningsparametre viser tilfeldig pulsasjon på grunn av den ikke-lineære konveksjonsprosessen. Turbulens inneholder mange vrikkstrukturer. De ulike omfangene av vrikkene i lengde- og tidskalene er enormt, og når Reynolds-tallet øker, øker omfanget mellom skalaene skarpt. Ifølge proporsjonen av turbulente vrikkstrukturer som løses direkte, simulering av turbulens  metoder er delt inn i direkte numerisk simulering (DNS), Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), store eddy simulering (LES) og blandede turbulenssimuleringsmetoder. RANS-metoden, som brukes mye i ingeniørfaget, løser den turbulente gjennomsnittlige feltet og bruker et modell for å simulere all turbulent pulsasjonsinformasjon. Regnekvantumet er lite, men nøyaktigheten er dårlig. For sterke svingninger og ustabile strømprosesser i forbreningskammeret kan RANS ikke oppfylle kravene til detaljert design. Pitsch pekte på at regnekompleksiteten til LES ligger mellom RANS og DNS, og brukes for øyeblikket til turbulente forbrenningsberegninger i uavgrensede rom med middels og lave Reynolds-tall. På grunn av den lille skalaen på turbulens nær veggene i forbreningskammeret og det høye Reynolds-tallet for strømmen, er antall gitter nødvendige for en LES-beregning av bare én hode av forbreningskammeret i hundrevis av millioner til milliarder. Slikt høyt regnekraftskrav begrenser den videre bruk av LES i simuleringer av forbreningskammer.

Opprettelsen av høy-nøyaktighets beregningsmodeller og -metoder basert på de veldig store eddy-simuleringene (VLES) og Hybrid RANS-LES-metode rammer er en viktig trend i numerisk simulering. VLES-metoden utviklet av Han et al. løser problemet med lav beregnings-effektivitet forårsaket av filtreringsgitter-skala og løsning av turbulens-skala matchingsbegrensninger i tradisjonell LES, og gjennomfører koppeling modellering mellom turbulens multi-skala egenskaper, transitoriske evolusjons-egenskaper og gitteroppløsning. VLES justerer adaptivt forholdet mellom turbulens-løsning og modell-modellering basert på den virkelige tidsutviklingen av strukturen i roterende strømninger, noe som reduserer beregningskostnadene betydelig samtidig som det sikrer beregningsnøyaktighet.

Likevel, i sammenligning med tradisjonell LES, har teorien og egenskapene til VLES ikke blitt dyptgående studert eller brukt. Denne artikkelen introducerer systematisk modelleringsteorien for VLES og dets anvendelseseffekter i ulike fysiske scenarioer knyttet til forbreningskamre, noe som fremmer den store skala anvendelsen av VLES innen simuleringsfeltet for flymotorforbreningskamre.

Store eddysimuleringsmetode

Innvirkningen av turbulenssimuleringsmetoder på forbrukelsen av beregningsressurser og modeller vises i figur 1. RANS, LES og VLES-metoder oppnår alle strømningssimulering gjennom turbulensmodellering. Det bør merkes at den tidligste klare definisjonen av VLES ble gitt av Pope, som refererer til "at den beregningsmessige nettstørrelsen er for grov slik at den turbulente kinetiske energien som løses direkte er mindre enn 80% av den totale turbulente kinetiske energien". Samtidig betyr LES etter Pope [6] "at den beregningsmessige nettet er veldig fin slik at den turbulente kinetiske energien som løses direkte er større enn 80% av den totale turbulente kinetiske energien". Likevel bør det merkes at VLES-en som introduseres i denne artikkelen er en ny beregningsmetode som har blitt ommodellert og utviklet basert på den tidligere metoden. Selv om navnene er de samme, er den nye VLES-metoden essensielt forskjellig fra VLES-metoden definert av Pope. Som kan ses av figuren, er de tradisjonelle turbulensmodiene RANS, URANS, hybrid RANS/LES, LES og DNS i rekkefølge etter beregningsnøyaktighet. Under den nye modellrammen er turbulensmodiene delt inn i RANS, VLES og DNS i rekkefølge etter beregningsnøyaktighet. Dette vil si at VLES-metoden realiserer ening av flere tradisjonelle turbulensmodier, og ulike modeller overgår og konverterer glatt etter lokale karakteristikk under faktiske beregninger.

Simulering av typiske fysiske prosesser i forbreningskammeret

Veldig stor eddy-simulering av sterkt sirkulasjonsstrøm

Forbreningskammeret i et flymotor bruker vanligvis strømfeltorganisasjonsformer som flertrins-sirkulering og sterk sirkulering. Sirkulasjonsstrøm er det mest grunnleggende strømmingsformen i forbreningskammeret. Ettersom sirkulering dominerer både i strømingsretningen og i den tangensielle retningen, har turbulent pulsasjon av sirkulering en større anisotropi enn tradisjonell rørstrømning, kanalstrømning og jetstrømning. Derfor stiller numerisk simulering av sirkulering store krav til turbulenssimuleringsmetoden. Xia et al. brukte VLES-metoden for å regne ut klassisk eksempel på sterke sirkulasjonsstrømmer i røret; Dellenback et al. [14] utførte strømfeltsexperimenter på dette eksempelet og har detaljerte eksperimentelle data. Strømns Reynolds-tall for det beregnede eksempelet er 1.0 × 105 (basert på diameteren av den sirkulære røret) og svirletallet er 1,23. To sett med strukturerte nett er brukt i beregningen. Det totale antallet av sparsomme nett (M1) er omtrent 900 000, og det totale antallet av krypterte nett (M2) er omtrent 5,1 millioner. De statistiske momentresultatene som ble oppnådd ved beregning sammenlignes videre med eksperimentelle resultater for å verifisere beregningsnøyaktigheten av VLES-metoden.

Sammenligningen av beregningsresultatene fra ulike metoder og eksperimentelle resultater for den radiale fordelingen av den omkringliggende gjennomsnittlige hastigheten og pulsasjonsfarten på forskjellige nedstrømsposisjoner under sterkt svirrende strøm er vist i figur 4. I figuren er de horisontale og vertikale koordinatene dimensjonsløse avstander og dimensjonsløse fartsverdier, henholdsvis, hvor D1 er diameteren på inngangsrøringspipe og Uin er den innstrømmende gjennomsnittlige hastigheten. Som kan ses fra figuren, viser strømfeltet et typisk Rankin-lignende sammensatt virvel som gradvis overgår til en enkel stiv kroppsvirvel. Ved sammenligning av beregninger og eksperimentelle resultater kan det oppdages at VLES-metoden har en høy beregningsnøyaktighet for forutsigelse av den omkringliggende hastigheten ved sterkt svirrende strøm, som er godt i overensstemmelse med fordelingen av eksperimentelle målinger. Den tradisjonelle RANS-metoden har en veldig stor avvikling i beregningen av svirrstrøm og kan ikke korrekt forutse den romlige utviklingen av svirrstrømfeltet og turbulente pulsasjoner. I sammenligning har VLES-metoden en veldig høy nøyaktighet i forutsigelsen av det gjennomsnittlige hastighetsfeltet, pulsasjonsfartfeltet og romlig utvikling under kompleks sterkt svirrende strøm, og kan fortsatt garantere en høy beregningsnøyaktighet selv ved relativt tynde nettresolusjoner. For forutsigelse av den omkringliggende gjennomsnittlige hastigheten er beregningsresultatene fra VLES-metoden i stor grad konsekvent ved to sett med tynde og tette nettresolusjoner.

Store Eddy Simulering av Turbulent Føring

For å studere gjennomførbartheten av VLES-metoden i forbindelse med prediksjon av turbulente føringssituasjoner [15-16], ble en turbulent føringmodell basert på VLES-metoden koblet med flammen genererte mangfoldigheter (FGM) utviklet. Den grunnleggende ideen er å anta at den turbulente flammen har en én-dimensjonal laminær flammestruktur lokalt, og at den turbulente flammeflaten er en ensemble-gjennomsnittlig serie av laminære flammeflater. Derfor kan det høydimensjonale komponentrommet kartlegges til et lavdimensjonalt strømsmønster sammensatt av noen karakteristiske variabler (blandingsbrøk, reaksjonsframgangsvariabel, osv.). Under betingelsen av å betrakte den detaljerte reaksjonsmekanismen, reduseres antall transportligninger som må løses betydelig, noe som i stor grad reduserer beregningskostnadene.

Den spesifikke implementeringsprosessen er å bygge FGM-laminaryttelsstabellen basert på blandingsbrøken og reaksjonsframgangsvariablene, ta hensyn til interaksjonen mellom turbulent forbrenning ved å anta sannsynlighetsdensitetsfunksjonsmetoden for å integrere laminaryttelsstabellen, og deretter oppnå turbulentytelsstabellen. I den numeriske beregningen løses transportlikningene for blandingsbrøken, reaksjonsframgangsvariablene og den tilhørende variansen, og forbrenningsfeltinformasjonen oppnås ved å søke i turbulentytelsstabellen.

Det kraftige forbrændingsmodellen basert på VLES og FGM ble brukt til å gjennomføre numeriske beregninger på den metan/luft forustete strømflammen (Flame D) som ble målt av Sandia-laboratoriet i USA, og kvantitative sammenligninger ble gjort med eksperimentelle måledata. Bråstoffmaterialet i eksemplet med Sandia Flame D (Reynolds-tallet er 22400) er en fullstendig blanding av metan og luft med et volumforhold på 1:3, bråstoffsinngangshastigheten er omtrent 49,9 m/s, og ettertrekksfart er omtrent 11,4 m/s. Den operasjonelle flammen er en blanding av forbrannt metan og luft, mens ettertrekksmaterialet er ren luft. Beregningen bruker en strukturert gitter, og det totale antall gitter er omtrent 1,9 million.

Fordelingen av den gjennomsnittlige massefraksjonen av ulike komponenter langs aksen vises i Figur 5. De horisontale og vertikale koordinatene i figuren er dimensjonsløs avstand (D2 er diameteren på inngangsbryteren) og dimensjonsløs massefraksjon, henholdsvis. Det kan ses fra figuren at forutsigelsen av de hovedsaklige komponentene i forbreningsprosessen ved hjelp av VLES-metoden generelt er godt i overensstemmelse med eksperimentelle resultater. Den spredte fordelingen av temperaturen på ulike nedstrømsposisjoner i blandingens fraksjonsrom vises i Figur 6. Det kan ses fra figuren at den spredte fordelingstrenden som forutses av VLES-metoden er i hovedsak konsekvent med eksperimentelle resultater, og bare det beregnede temperatur ytremålet er litt høyere enn eksperimentverdien. Fordelingen av øyeblikkelig vortisitet, temperatur og oppløsningskontrollfunksjon som er beregnet av VLES vises i Figur 7, der den faste linjen tas som Zst=0,351. Det kan ses fra figuren at kjernestrømningsområdet viser sterke turbulente pulsjoner, og mens strømfeltet utvikler seg nedstrøms, øker skalaen på vorteksstrukturene gradvis. Som kan ses av Figur 7 (b) og (c), er oppløsningskontrollfunksjonen mellom 0 og 1 i de fleste kjemiske reaksjonsområder, noe som indikerer at den lokale nett-oppløsningen kan fange store skalaer av turbulens og kun simulere små skalaer av turbulens gjennom modellen. I dette tilfellet oppfører VLES seg som en tilnærmet stor eddy-simuleringsløsningsmodus. I jettskjeerlaget og den ytre kanten av nedstrømsflammen er oppløsningskontrollfunksjonen nær 1, hvilket indikerer at den avkuttede filter-skalaen av beregningsnettet er større enn den lokale turbulensskalaen. I dette tilfellet oppfører VLES seg som en ustabil Reynolds-gjennomsnittlig løsningsmodus. Sammenfatningvis kan det ses at VLES-metoden kan realisere transformasjonen av flere turbulens-løsningsmoduser etter de sanntidskarakteristikene til vorteksevolusjonen, og kan nøyaktig forutsi den ustabile forbreningsprosessen i turbulente flammer.

Store eddy-simulering av den fullstendige atomiseringsprosessen

Mesteparten av brøyten som brukes i forbreningsrummet i et flymotor er væskebrøyt. Væskebrøyt går inn i forbreningsrummet og gjennomgår en primær atomiserings- og sekundær atomiseringsprosess. Det finnes mange utfordringer ved å simulere den fullstendige atomiseringsprosessen for væskebrøyt, inkludert oppfanging av gass-væske to-fase topologiske grensesnittskonfigurasjoner, deformasjon og rivning av væskekolonnen, oppsplitting og utvikling av væskebånd og væskefibrer til dråper, samt interaksjon mellom turbulent strømning og dråper. Huang Ziwei [19] utviklet en simulering av den fullstendige atomiseringsprosessen basert på VLES-metoden koblet med VOFDPM-hybrid atomiseringsberegningmetode, realisering av fullstendig numerisk simulering av brøytens atomisering fra kontinuerlig væske til diskrete dråper.

Et nylig utviklet simuleringmodell for atomisering ble brukt til å gjennomføre høy-nøyaktige numeriske beregninger av den klassiske lateralstrømings atomiseringsprosessen for en væskesøyle, og det ble gjort en detaljert sammenligning med eksperimentelle resultater i den åpne litteraturen [20] og store eddy-simulering-beregningsresultater [21]. I beregningsEksempelet er gassfasen luft med hastigheter på henholdsvis 77,89 og 110,0 m/s, mens væskefasen er væsjkvann med en hastighet på 8,6 m/s. De tilhørende Weber-tallene er henholdsvis 100 og 200. For å bedre kunne simulerer sekundær oppsplitting, bruker oppsplittningsmodellen Kelvin-Helmholtz og Rayleigh-Taylor (KHRT) modell.

Den fullstendige atomiseringsprosessen forutsagt av VLES under Weber-tallforhold 100 vises i figur 8. Som kan ses fra figuren, danner seg en tynt væskekolonne i startområdet, og deretter brytes væskekolonnen opp i væskebånd og væskefibrer, og brytes til dråper under virkningen av aerodynamisk kraft, og dråpene blir videre borteilt i mindre dråper gjennom sekundær borteling. Strømghastigheten og tversvis vortisitetsfordelingen regnet ut av VLES under Weber-tallforhold 100 vises i figur 9. Som kan ses fra figuren, finnes det en typisk lavhastighetsreturson på lemdagen av væskekolonnen. Det kan oppdages fra den øyeblikkelige vortisitetsfordelingen at lemdagen av væskekolonnen viser en sterke rotasjonsstruktur, og den sterke turbulent bevegelse i lavhastighetsretursonen bidrar til ødeleggingen av væskekolonnesarket og formeringen av dråper.

Forholdet mellom diameteren på den initielle strålen og det minste flyte-dimensjoner av den væskestrålen når væskesøylene begynner å bryte sammen under ulike Weber-tall vises i figur 10. I figuren er di det minste flyte-dimensjonene av den væskestrålen når væskesøylene begynner å bryte sammen, og D3 er diameteren på den initielle væskestrålen. Det kan ses fra figuren at VLES-beregningsresultatene er i god samsvar med eksperimentelle resultater, som er bedre enn store eddy-simulering beregningsresultater i litteraturen [21].

Forkjæringsustabilitet Svært Store Eddysimulering

For å oppfylle kravene om lave utslipp, er brændingskammer i sivile fly vanligvis designet med forhåndsblanding eller delvis forhåndsbalmet tynn bræning. Likevel har tynn forhåndsbalmet bræning dårlig stabilitet og er nokså følsom overfor å opprettholde termoakustisk koppelt oscillasjonsbrænding, noe som fører til brændingsustabilitet. Brændingsustabilitet er høygradig ødelagtlig og kan være forbundet med problemer som returflamme og fast deformasjon, noe som er et fremtrædende problem som brændingskammerdesign møter.

Numerisk beregning av ustabil brøyling kan deles inn i to kategorier: ukoplingsmetode og direkte koplingsmetode. Den ukoblede brøligningsustabilitetsprediksjonsmetoden skiller mellom ustabil brøling og akustiske løsninger. Ustabil brøling krever et stort antall numeriske beregningsprøver for å bygge en pålitelig flammefunksjonsbeskrivelse. Hvis metoden for store eddy-simulering brukes, er forbruket av datamaskinressurser for stort. Direkte koplingsberegningmetode baserer seg på den kompressible løsningsmetoden og får direkte resultatet av brølingsustabilitet gjennom høyoppløselige ustabile beregninger, det vil si at koplingsberegningen av ustabil brøling og akustikk under gitte driftbetingelser fullføres på én gang innenfor samme beregningsramme.

I studien av numerisk simulering av ustabilitet i forbrenning, utviklet Huang et al. [27] en beregningsmodell for forbrenningsustabilitet basert på VLES-metoden koblet med tykkelseflammetoden, og oppnådde nøyaktig prediksjon av den ustabile forbrenningsprosessen under akustisk eksitasjon. BeregningsEksemplet er en stump kropp stasjonær fullt forhåndsblandinget etylen/luft-flamme utviklet av Cambridge University, med et likevektsforhold på 0.55 og en Reynolds-tall på omtrent 17000. Sammenligningen mellom VLES-beregningsresultatene og eksperimentelle resultater for ustabile flammedynamikk under akustisk eksitasjon vises i figur 12. Det kan ses fra figuren at under inlettingseksitasjonsprosessen, ruller flammen over på de indre og ytre skjerslagene og utvikler seg til en motvendt roterende vevirpar. I denne prosessen fortsetter utviklingen av svampformet flammsiluett å utvikle seg med endringen i fasewinkel. VLES-beregningsresultatene gjenproduserer godt de flammeutviklingskarakteristikene som ble observert i eksperimentet. Sammenligningen av amplituden og fasendiffensen i varmeslippelsesresponsen ved 160 Hz akustisk eksitasjon, oppnådd av ulike beregningsmetoder og eksperimentelle målinger, vises i figur 13. I figuren, Q' og Q ͂ er henholdsvis den pulsierende varmeavslipp og gjennomsnittlig varmeavslipp av forbranning, A er amplituden av sinusformet akustisk oppvingling, og den vertikale aksen i figur 13 (b) er fasedifferansen mellom den midlertidige varmeavslippsignalet av forbranning under akustisk oppvingling og innføringstapets oppvinglingssignal. Som det kan ses fra figuren, er prediksjonsnøyaktigheten ved VLES-metoden sammenlignbar med nøyaktigheten ved store eddy-simulering [28], og begge er godt i overensstemmelse med eksperimentelle verdier. Selv om den ustabile RANS-metoden forutsier trenden i den ikke-lineære responsen, avviker de beregnede kvantitative resultatene mye fra eksperimentelle verdier. For fasedifferanseresultatene (figur 13 (b)), er trenden i fasedifferansen som blir forsporet av VLES-metoden med forstyrrelsesamplituden i hovedsak konsekvent med eksperimentelle resultater, mens store eddy-simuleringsresultatene ikke forutsier ovennevnte trend godt.