Напредак истраживања о аеродинамичким перформансима коморе за сагоревање авиона на основу симулације великих вихрова

Напредак истраживања о аеродинамичким перформансима коморе за сагоревање авиона на основу симулације великих вихрова

Камера за сагоревање је једна од основних компоненти авиона, а аеродинамичка перформанса камере за сагоревање игра кључну улогу у перформанси целог мотора. Да би се задовољили све строжији технички захтеви мотора за комору за сагоревање, начин организације сагоревања и карактеристике проток унутар коморе за сагоревање постали су веома сложени. Процес успоравања и притиска дифузера може се суочити са раздвајањем струје под јаким негативним градијентом притиска; проток ваздуха пролази кроз вишестепени вртежни уређај како би формирао структуру вихре на великом нивоу, која с једне стране промовише атомизацију и испаравање те На основу проток, вишескални физички и хемијски процеси као што су атомизација и испаравање, мешање, хемијска реакција и интеракција турбуленције и пламена су снажно повезани, који заједно одређују аеродинамичке карактеристике коморе за сагоревање. Високопрецизно моделирање и израчунавање ових физичких и хемијских процеса увек су биле врућа тема истраживања у земљи и иностранству.

Процеси атомизације, испарења, мешања и сагоревања у комори сагоревања развијају се и развијају у турбулентном окружењу струје, тако да је то проток основа за симулацију аеродинамичких перформанси коморе сагоревања. Основна карактеристика турбуленције је да параметри протока показују случајне пулсације због нелинеарног процеса конвекције. Турбуленција садржи многе структуре вихрова. Растојања различитих вихрова у дужини и временским скалама су огромна, а како се број Рејнолдса повећава, растојања између скала се оштро повећавају. Према учестају турбулентних структуре вихре које су директно решен, турбуленција симулација  методе су подељене на директну нумеричку симулацију (ДНС), Рејнолдс-просечне Навије-Стоковске (РАНС), симулацију великих вихрова (ЛЕС) и методе симулације мешаних турбуленција. РАНС метода, која се широко користи у инжењерству, решава турбулентно средње поље и користи модел за симулацију свих турбулентних пулсационих информација. Израчун је мали, али тачност је лоша. За процес јаке вирне и нестабилне струје у комори за сагоревање, РАНС не може да испуни захтеве прецизног пројектовања. Пицх је истакао да је рачунарска сложеност ЛЕС-а између РАНС-а и ДНС-а, и да се тренутно користи за израчунавање турбулентног сагоревања у неограниченим просторима са средњим и ниским Рејнолдсовим бројевима. Због мале скале турбуленције у близини зида коморе за сагоревање и високог Рејнолдса броја проток, количина решетка потребних за ЛЕС израчунавање једне главе само коморе за сагоревање је у стотинама милиона до милијарди. Таква висока потрошња рачунарских ресурса ограничава широку употребу ЛЕС-а у симулацијама у коморима за сагоревање.

Успостављање високопрецизних модела и метода израчунавања заснованих на оквирима симулације Велике величине вијека (ВЛЕС) и хибридне РАНС-ЛЕС методе је важан тренд у нумеричкој симулацији. Метода ВЛЕС коју су развили Хан и др. решава проблем ниске рачунарске ефикасности узроковане филтрирањем скале мреже и решавањем ограничења у усоглашавању скале турбуленције у традиционалном ЛЕС-у, и остварује моделирање споја између турбулентних вишескалних карактеристика

Међутим, у поређењу са традиционалним ЛЕС-ом, теорија и карактеристике ВЛЕС-а нису широко проучаване и коришћене. Овај рад систематски уводе теорију моделирања ВЛЕС-а и ефекте његове примене у различитим физичким сценаријама везаним за коморе за сагоревање, промовишући широкомасштабну примену ВЛЕС-а у области симулације коморе за сагоревање авиона.

Метода симулације великом Еддију

Уticaј метода симулације турбуленције на потрошњу рачунарских ресурса и модела је приказано на слици 1. Методе РАНС, ЛЕС и ВЛЕС све постижу симулацију проток кроз моделирање турбуленције. Треба напоменути да је најранију јасну дефиницију VLES дао Поуп, који се односи на "рачунарску скалу мреже која је превише груба тако да је турбулентна кинетичка енергија директно решена мање од 80% укупне турбулентне кинетичке енергије". Истовремено, значење ЛЕС-а које је дао Поуп [6] је "рачунарска мрежа је веома фина тако да је турбулентна кинетичка енергија директно решена већа од 80% укупне турбулентне кинетичке енергије". Међутим, треба напоменути да је ВЛЕС представљен у овом чланку нова метода рачунања која је ремоделирана и развијена на основу претходне методе. Иако су имена иста, нова ВЛЕС метода се суштински разликује од ВЛЕС методе коју је дефинисао Поуп. Као што се може видети са слика, традиционални режими турбуленције су РАНС, УРАНС, хибридни РАНС/ЛЕС, ЛЕС и ДНС у реду прецизности израчунавања. Према новом моделном оквиру, режими турбуленције су подељени на РАНС, ВЛЕС и ДНС у реду прецизности израчунавања. То јест, метода ВЛЕС остварује унификацију више традиционалних режима турбуленције, а различити модели адаптивно прелазе и конвертују се глатко према локалним карактеристикама у стварним прорачунима.

Симулација типичних физичких процеса у комори за сагоревање

Веома велика симулација силног вирлинг струја

Камера за сагоревање авиона обично примењује облике организације течности, као што су вишестапни вихр и јак вихр. Вирл флуи је најосновнији облик струје у комори за сагоревање. Пошто је вртеж доминантан и у правцу течења и у тангенцијалном правцу, турбулентна пулсација вртежа има јачу анизотропију од традиционалног тока цеви, тока канала и струје. Стога, нумеричка симулација вртежа представља велики изазов за методу симулације турбуленције. Xia et al. користио је методу VLES за израчунавање класичног примера јаког виркања струје у цеви; Dellenback et al. [14] спровео је експерименте поља струје на овом примјеру и има детаљне експерименталне податке. Број рејнолдса проток израчунатог примера је 1.0 ×105 (на основу пречника кружне цеви) и број вихрева је 1,23. У израчуну се користе два скупа структурисаних мреже. Укупни број ретких мреже (М1) је око 900.000 и укупни број шифрованих мреже (М2) је око 5,1 милиона. Резултати статистичких момента добијени израчуном се даље упоређују са експерименталним резултатима како би се проверила тачност израчуна методе ВЛЕС.

Сравњавање резултата израчунавања различитих метода и експерименталних резултата радијалне дистрибуције средње брзине окружности и пулсирајуће брзине на различитим позицијама дотока под јаким вртоглавим проток је приказано на слици 4. На слици, хоризонталне и вертикалне координате су бездимензионална удаљеност и бездимензионална брзина, респективно, где је Д1 пречник уносне кружне цеви и Уин је просечна брзина улаза. Као што се може видети на слици, поље течења показује типичан Ранкин-лики сложени вихр који постепено прелази у један кружљиви кружљ. У поређењу са рачуном и експерименталним резултатима, може се утврдити да ВЛЕС метода има високу прецизност израчуна за предвиђање окружног брзине снажног вртећег тока, што је у добром складу са дистрибуцијом експерименталних мерења. Традиционална РАНС метода има веома велико одступање у израчуну струје вихра и не може правилно предвидети просторну еволуцију поља струје вихра и турбулентне пулсације. У поређењу, ВЛЕС метода има веома високу тачност у предвиђању средње брзине поља, пулсирајући поље брзине и просторне еволуције под сложеном јаком вртећи проток, и још увек може гарантовати високу тачност израчунавања чак и на релативно ретко резолуцију м За предвиђање просечне брзине окружности, резултати израчунавања методе ВЛЕС-а су у основи конзистентни на два скупа ретких и густих резолуција мреже.

Симулација турбулентног сагоревања

У циљу проучавања изводљивости методе ВЛЕС у предвиђању проблема турбулентног сагоревања [15-16], развијен је модел турбулентног сагоревања заснован на методи ВЛЕС у комбинацији са фламелет генерацијама (ФГМ). Основна идеја је претпоставити да турбулентно пламен има локално једнодимензионалну ламинарну структуру пламена, а површина турбулентног пламена је ансамблов просек низа ламинарних површина пламена. Стога се простор компоненти високих димензија може мапирати на модел проток ниске димензије састављен од неколико карактеристичних променљивих (фракција мешавине, променљива прогреса реакције итд.). Под условом разматрања детаљног механизма реакције, број транспортних једначина које се морају решити је знатно смањен, чиме се значајно смањује трошак рачунања.

Специфични процес имплементације је да се изгради табела ламинарних података о ФГМ-у на основу променљивих фракције мешавине и прогреса реакције, размотри интеракција између турбулентног сагоревања претпостављањем методе функције густине вероватноће за интегрисање табеле ламинарних података и на тај У нумеричком израчуну, решавају се једначине транспорта фракције мешавине, променљиве прогреса реакције и одговарајућу варијацију, а информације о пољу сагоревања добијају се тражењем табеле турбулентних података.

Модел турбулентног сагоревања заснован на ВЛЕС-у и ФГМ-у коришћен је за обављање нумеричких израчунавања на турбулентном лету метана/ваздуха (Flame D) који је измерила лабораторија Сандија у Сједињеним Државама, а квантитативна поређења су Топливни материјал у примеру Сандија Флејм Д (Рејнолдс број је 22400) је потпуна мешавина метана и ваздуха са односом запремине од 1:3, брзина улаза горива је око 49,9 м/с, а брзина трајања је око 11,4 м/с. Службени пламен је мешавина спаљеног метана и ваздуха, а материјал за праћење је чист ваздух. Израчунавање користи структурисану мрежу, а укупан број мрежа је око 1,9 милиона.

Раздвој просечног масног дела различитих компоненти дуж оси је приказан на слици 5. Хоризонталне и вертикалне координате на слици су бездимензионална удаљеност (Д2 је пречник уносне струјне цеви) и бездимензионална масова фракција, респективно. На слици се може видети да је предвиђање главних компоненти процеса сагоревања методом ВЛЕС генерално добро у складу са експерименталним резултатима. Разбацана расподела температуре на различитим положајима дотока у простору фракција мешавине приказана је на слици 6. На лиску се може видети да је тренд распршиве дистрибуције предвиђен методом ВЛЕС-а у основи у складу са експерименталним резултатима, а само израчуната екстремна вредност температуре је мало већа од експерименталне вредности. Раздајање функције за контролисање тренутног виртицита, температуре и резолуције израчунате са ВЛЕС-ом приказано је на слици 7, где се чврста линија узима као Zst = 0,351. На слици се може видети да једро струјевића показује јаку турбулентну пулсацију, а како се поље течења развија дотоком, скала структуре вихрева постепено се повећава. Као што се може видети на слици 7 (б) и (ц), у већини подручја хемијске реакције, функција контроле резолуције је између 0 и 1, што указује на то да локална резолуција мреже може да ухвати турбуленцију великог обима и само да симулише турбуленцију малог обима кроз У овом тренутку, ВЛЕС се понаша као приближан режим симулације решења великих вихрова. У слоју струјног сечења и спољној ивици доле по поток пламена, функција контроле резолуције је близу 1, што указује на то да је скала скраћене филтере рачунарске мреже већа од локалне скале турбуленције. У овом тренутку, ВЛЕС се понаша као нестабилан Рејнолдсов просечни решење режим. У сузбицу, може се видети да ВЛЕС метода може да оствари трансформацију вишеструких турбулентних решења режима у складу са карактеристикама еволуције структуре вихрева у реалном времену и може тачно предвидети нестабилни процес сагоревања у турбулентним пламеном.

Симулација великог вихрева потпуног процеса атомизације

Већина горива које се користи у комори за сагоревање авиона је течно гориво. Течно гориво улази у комору за сагоревање и пролази кроз процес примарне и секундарне атомизације. Постоји много потешкоћа у симулацији комплетног процеса атомизације течног горива, укључујући ухваће гасно-течног двофазног тополошког интерфејса, деформације и пуцања течног колона, еволуције распада течних трака и течних филамената у капљице и Хуанг Зивеи [19] је развио комплетан модел симулације процеса атомизације заснован на методи ВЛЕС у комбинацији са методом хибридне методе израчунавања атомизације ВОФДПМ, реализујући цифричну симулацију пуног процеса атомизације горива од конти

Услед тога је био направљен детаљни поређење експерименталних резултата у отвореној литератури [20] и резултата рачунања симулације великих вихрова [21]. У примеру израчунавања, гасна фаза је ваздух са брзинама од 77,89 и 110,0 м/с, респективно, а течна фаза течна вода са брзином од 8,6 м/с. Одговарајући Вебер број је 100 и 200, респективно. Да би се боље симулирао процес секундарног распада, модел распада усваја Келвин-Хелмхолтз и Рејлеи-Тейлор (КХРТ) модел.

Потпуни процес атомизације који је предвиђен од стране ВЛЕС-а под условима Вебер броја 100 приказан је на слици 8. Као што се може видети са слика, у почетној области формира се танки лист течне колоне, а затим течна колона се разбија на течне траке и течне филаменте, и разбија се у капљице под дејством аеродинамичке силе, а капљице се даље разбијају у мање капљице путем Брзина струје и расподела вирцизитета у распону који су израчунати од стране ВЛЕС-а под условима Веберовог броја 100 приказани су на слици 9. Као што се може видети на слици, на ливеру стопе течности постоји типична зона рециркулације ниске брзине. Из тренутног расподела вихрића може се утврдити да је на подвужној страни течне колоне јака структура вихра, а јако турбулентно кретање у зони ниске брзине рециркулације доприноси пуцању листа течне колоне и формирању капљица.

Однос почетног дијаметра млаза до минималне димензије протока течног млаза када се течна колона почне разбијати под различитим Веберским бројевима приказано је на слици 10. На слици, di је минимална димензија протока струје течности када се течна колона почне разбијати, а D3 је почетни дијаметар струје течности. На слици се може видети да су резултати израчунавања ВЛЕС-а у доброј сагласности са експерименталним резултатима, који су бољи од резултата израчунавања симулације великих вихрова у литератури [21].

Нестабилност сагоревања Веома велика симулација Ведди

У циљу испуњавања захтева за ниске емисије, коморе за сагоревање цивилних авиона обично су дизајниране са предмешаним или делимично предмешаним малим сагоревањем. Међутим, мадно предмешано сагоревање има лошу стабилност и склоно је да узбуди термоакустичке режиме сагоревања корекције, што доводи до нестабилности сагоревања. Нестабилност сагоревања је веома деструктивна и може бити праћена проблемима као што су ретроспекција и деформација чврстог тела, што је истакнути проблем са којим се суочава дизајн коморе за сагоревање.

Цифрова прорачуна нестабилности сагоревања може се поделити у две категорије: метода одвајања и метода директне споја. Метода предвиђања нестабилности сагоревања одвоји се од нестабилног сагоревања и акустичних раствора. Нестабилно сагоревање захтева велики број нумеричких обрасца за израду поуздане функције описа пламена. Ако се користи метода израчунавања симулације великог вихре, потрошња рачунарских ресурса је превише велика. Метода израчунавања директне спојке заснована је на методи компресибилног раствора и директно добија резултат нестабилности сагоревања кроз високопрецизно нестабилно израчунавање, односно процес израчунавања споја нестабилног сагоревања и акустике под датим радним условима завршава се у

У студији нумеричке симулације одвајања нестабилности сагоревања, Хуанг и сарадници су [27] развили модел израчунавања нестабилности сагоревања заснован на методи ВЛЕС у комбинацији са методом израчунавања густила пламена и постигли прецизно предвиђање нестабилног Пример за израчунавање је тупи стационарни етилен/воздух потпуно премешани пламен који је развио Кембриџ Универзитет, са односом еквивалентности од 0,55 и Рејнолдсовим бројем од око 17000. Упоређење резултата израчунавања ВЛЕС-а и експерименталних резултата динамичких карактеристика нестабилног пламена под акустичном узбуђењем приказано је на слици 12. На слици се може видети да се током процеса узбуђења улаза пламен преврта на унутрашњи и спољашњи слој сечења и развија у пар вртогласа који се окреће супротно. У овом процесу, еволуција профила пламена у облику печурке наставља да се развија са променом фазног угла. Резултати израчунавања ВЛЕС-а добро репродукују карактеристике еволуције пламена примећене у експерименту. Упоређење амплитуде и фазне разлике одговора брзине ослобађања топлоте под 160 Hz акустичном узбуђењем добијеним различитим методама израчунавања и експерименталним мерењима приказано је на слици 13. На слици, К' и К ͂ су пулсирајући ослобађање топлоте и просечно ослобађање топлоте сагоревања, респективно, А је амплитуда синусоидног акустичног узбуђења, а ординат на слици 13 (б) је фаза разлика између транзиторног сигнала ослобађања топлоте сагоревања Као што се може видети на слици, тачност предвиђања методе ВЛЕС-а је упоредива са тачношћу симулације великих вихрова [28], а оба су у доброј сагласности са експерименталним вредностима. Иако метода нестабилних РАНС предвиђа тренд нелинеарног одговора, израчунати квантитативни резултати се значајно одступају од експерименталних вредности. За резултате фазне разлике (слика 13 (б)) тренд фазне разлике предвиђен методом ВЛЕС са амплитудом поремећаја је у основи у складу са експерименталним резултатима, док резултати симулације великих вихрова не предвиђају горе наведен тренд.