Progrés de la investigació sobre el rendiment aerodinàmic de la cambra de combustió de motors d’avions basat en una simulació gran d’eddy
La cambra de combustió és un dels components bàsics d’un motor d’avions i el rendiment aerodinàmic de la cambra de combustió té un paper vital en el rendiment de tot el motor. Per tal de complir els requisits tècnics cada cop més estrictes del motor per a la cambra de combustió, el mode d’organització de combustió i les característiques de flux dins de la cambra de combustió s’han convertit en molt complexos. El procés de desacceleració i pressurització del difusor pot afrontar la separació de flux sota un fort gradient de pressió advers; El flux d’aire passa a través d’un dispositiu de remolí en diverses etapes per formar una estructura de vòrtex a gran escala, que d’una banda afavoreix l’atomització i l’evaporació del combustible líquid i forma una barreja fortament pulsant i inestable amb el combustible i, per l’altra, genera una flama estacionària a la zona de recirculació aerodinàmica; Els múltiples dolls del forat principal de combustió/barreja interaccionen amb el flux lateral del tub de flama per formar un parell de vòrtex contra-rotatiu, que té una influència important en la barreja turbulenta. A partir del flux, els processos físics i químics a diverses escales com l’atomització i l’evaporació, la barreja, la reacció química i la interacció entre la turbulència i la flama s’acoblen fortament, que determinen conjuntament les característiques aerodinàmiques de la cambra de combustió. El modelat i càlcul d’alta precisió d’aquests processos físics i químics sempre han estat un tema important de la investigació a casa i a l’estranger.
Els processos d’atomització, evaporació, barreja i combustió a la cambra de combustió es desenvolupen i evolucionen en un entorn de flux turbulent, de manera que el flux és la base per a la simulació del rendiment aerodinàmic de la cambra de combustió. La característica bàsica de la turbulència és que els paràmetres de flux mostren una pulsació aleatòria a causa del procés de convecció no lineal. La turbulència conté moltes estructures de vòrtex. Les extensions de diferents vòrtexs de longitud i escales de temps són enormes i, a mesura que augmenta el nombre de Reynolds, les extensions entre escales augmenten bruscament. Segons la proporció d’estructures de vòrtex turbulent que es resolen directament, els mètodes de simulació de turbulències es divideixen en simulació numèrica directa (DNS), de Navier-Stokes (RANS) de Reynolds, de simulació gran de l’Eddy (LES) i de mètodes de simulació de turbuleria mixta. El mètode RANS, que s’utilitza àmpliament en l’enginyeria, resol el camp mitjà turbulent i utilitza un model per simular tota la informació de pulsació turbulenta. La quantitat de càlcul és petita, però la precisió és pobra. Per a processos de flux de remolí forts i inestables a la cambra de combustió, els RAN no poden complir els requisits del disseny refinat. Pitsch va assenyalar que la complexitat computacional de LES es troba entre RANS i DNS i que actualment s’utilitza per a càlculs de combustió turbulents en espais sense restriccions amb nombres de Reynolds mitjans i baixos. A causa de la petita escala de turbulència a la zona de la paret propera de la cambra de combustió i l’alt nombre de Reynolds del flux, la quantitat de quadrícules necessàries per al càlcul de LES d’un sol cap de la cambra de combustió només es troba en centenars de milions a milers de milions. Un consum computacional elevat limita l’ús generalitzat de LES en simulacions de cambra de combustió.
L’establiment de models i mètodes de càlcul d’alta precisió basats en els marcs de simulació d’Eddy (VLE) molt grans (VLE) i els marcs del mètode RANS-les híbrids és una tendència important en la simulació numèrica. El mètode VLE desenvolupat per Han et al. Resol el problema de la baixa eficiència computacional causada per filtrar l'escala de la xarxa i la resolució de les restriccions de concordança a escala de turbulències a les LES tradicionals, i realitza el modelat d'acoblament entre les característiques a escala de turbulència, les característiques d'evolució transitòria i la resolució de la xarxa. , VLE ajusta de forma adaptativa la relació entre la solució de turbulència i el model de model basada en les característiques en temps real de l'evolució de l'estructura del vòrtex, reduint significativament els costos computacionals alhora que garanteix la precisió del càlcul.
No obstant això, en comparació amb les LES tradicionals, la teoria i les característiques dels VLE no han estat àmpliament estudiades i utilitzades. Aquest treball introdueix sistemàticament la teoria del model de VLE i els seus efectes d’aplicació en diversos escenaris físics relacionats amb les cambres de combustió, promovent l’aplicació a gran escala de VLE en el camp de la simulació de la cambra de combustió del motor d’avions.
Mètode de simulació gran eddy
La influència dels mètodes de simulació de turbulències en la computació del consum i els models de recursos es mostra a la figura 1. Els mètodes RANS, LES i VLE aconsegueixen simulació de flux mitjançant la modelització de turbulències. Cal destacar que la primera definició clara de VLE va ser donada per Pope, que es refereix a "l'escala de xarxa computacional és massa tosca de manera que l'energia cinètica turbulenta resolta directament és inferior al 80% de l'energia cinètica turbulenta total". Al mateix temps, el significat de LES donat pel papa [6] és "la xarxa computacional és molt fina de manera que l'energia cinètica turbulenta resolta directament és superior al 80% de l'energia cinètica turbulenta total". No obstant això, cal destacar que els VLE introduïts en aquest article són un nou mètode computacional que ha estat remodelat i desenvolupat sobre la base del mètode anterior. Tot i que els noms són els mateixos, el nou mètode VLES és essencialment diferent del mètode VLE definit pel papa. Com es pot veure a la figura, els modes de turbulència tradicionals són RANS, URANS, RANS/LES, LES i DNS híbrids per ordre de precisió del càlcul. En el marc del nou model, els modes de turbulència es divideixen en RANS, VLE i DNS per ordre de precisió de càlcul. És a dir, el mètode VLES realitza la unificació de diversos modes de turbulència tradicionals i diferents models transiten de forma adaptativa i es converteixen sense problemes segons les característiques locals en els càlculs reals.
Simulació de processos físics típics a la cambra de combustió
Simulació de remolí molt gran del fort flux de remolí
La cambra de combustió d’un motor d’avions sol adoptar formes d’organització de camp de flux com ara remolí en diverses etapes i remolí fort. El flux de remolí és la forma de flux més bàsica de la cambra de combustió. Com que el remolí és dominant tant en la direcció del flux com en la direcció tangencial, la pulsació turbulenta del remolí té una anisotropia més forta que el flux de canonades tradicional, el flux de canals i el flux de raig. Per tant, la simulació numèrica del remolí suposa un gran repte per al mètode de simulació de turbulències. Xia et al. va utilitzar el mètode VLE per calcular l'exemple clàssic de flux de remolí fort al tub; Dellenback et al. [14] van realitzar experiments de camp de flux en aquest exemple i tenen dades experimentals detallades. El nombre de flux Reynolds de l'exemple calculat és 1. 0 × 105 (basat en el diàmetre del tub circular) i el número de remolí és de 1,23. S'utilitzen dos conjunts de reixes estructurades en el càlcul. El nombre total de reixes escasses (M1) és d’uns 900, 000 i el nombre total de quadrícules xifrades (M2) és d’uns 5,1 milions. Els resultats del moment estadístic obtinguts per càlcul es comparen més amb els resultats experimentals per verificar la precisió de càlcul del mètode VLES.
La comparació dels resultats de càlcul de diferents mètodes i els resultats experimentals de la distribució radial de la velocitat mitjana circumferencial i la velocitat pulsant a diferents posicions aigües avall sota un fort flux de remolí es mostra a la figura 4. A la figura, les coordenades horitzontals i verticals són una distància i una velocitat sense dimensió, respectivament, on D1 és el diàmetre de la circular de la circular i de la dimensió de la dimensió, respectivament Velocitat. Com es pot veure a la figura, el camp de flux mostra un vòrtex compost com a Rankin típic que es transita gradualment a un únic vòrtex corporal rígid. Comparant el càlcul i els resultats experimentals, es pot trobar que el mètode VLES té una alta precisió de càlcul per a la predicció de la velocitat circumferencial del flux de remolí fort, que està d’acord amb la distribució de mesures experimentals. El mètode RANS tradicional té una desviació molt gran en el càlcul del flux de remolí i no pot predir correctament l'evolució espacial del camp de flux de remolí i la pulsació turbulenta. En comparació, el mètode VLES té una precisió molt elevada en la predicció del camp de velocitat mitjana, el camp de velocitat pulsant i l’evolució espacial sota un fort flux de remolí complex, i encara pot garantir una alta precisió de càlcul fins i tot a una resolució relativament escassa de la xarxa. Per a la predicció de la velocitat mitjana circumferencial, els resultats de càlcul del mètode VLE són bàsicament consistents en dos conjunts de resolucions de xarxa escasses i denses.
Simulació gran de combustió turbulenta
Per tal d’estudiar la viabilitat del mètode VLES en la predicció de problemes de combustió turbulents [15-16], es va desenvolupar un model de combustió turbulent basat en el mètode VLE unit amb els col·lectors generats per flamelets (FGM). La idea bàsica és suposar que la flama turbulenta té una estructura de flama laminar unidimensional localment, i la superfície de la flama turbulenta és la mitjana del conjunt d’una sèrie de superfícies de flama laminar. Per tant, l’espai de components d’alta dimensió es pot associar a un patró de flux de baixa dimensió compost per diverses variables característiques (fracció de barreja, variable de progrés de reacció, etc.). Sota la condició de considerar el mecanisme de reacció detallat, el nombre d’equacions de transport a resoldre es redueix molt, reduint significativament el cost computacional.
El procés d’implementació específic és construir la taula de dades laminar FGM basada en la fracció de mescla i les variables de progrés de reacció, considerar la interacció entre la combustió turbulenta assumint el mètode de funció de densitat de probabilitat per integrar la taula de dades laminar i, per tant, obtenir la taula de dades turbulenta. En el càlcul numèric, es resolen les equacions de transport de la fracció de barreja, les variables de progrés de reacció i la variància corresponent i la informació del camp de combustió s’obté consultant la taula de dades turbulenta.
El model de combustió turbulent basat en VLE i FGM es va utilitzar per dur a terme càlculs numèrics a la flama de reacció turbulenta de metà/aire (flama D) mesurada pel laboratori Sandia als Estats Units i es van fer comparacions quantitatives amb les dades de mesura experimentals. El material de combustible de l’exemple de Sandia Flame D (el nombre de Reynolds és 22400) és una barreja completa de metà i aire amb una proporció de volum d’1: 3, la velocitat d’entrada de combustible és d’uns 49,9 m/s i la velocitat de despertar és d’uns 11,4 m/s. La flama de treball és una barreja de metà i aire cremat, i el material de despertar és aire pur. El càlcul utilitza una xarxa estructurada i el nombre total de quadrícules és d’uns 1,9 milions.
La distribució de la fracció de massa mitjana de diferents components al llarg de l’eix es mostra a la figura 5. Les coordenades horitzontals i verticals de la figura són una distància sense dimensions (D2 és el diàmetre del tub d’entrada de raig) i la fracció de massa sense dimensions, respectivament. Es pot veure a la figura que la predicció dels components principals del procés de combustió mitjançant el mètode VLES està generalment d’acord amb els resultats experimentals. A la figura 6 es mostra la distribució dispersa de la temperatura a diferents posicions aigües avall de l’espai de fracció de barreja. Es pot veure a la figura que la tendència de distribució dispersa prevista pel mètode VLES és bàsicament coherent amb els resultats experimentals i només el valor extrem de temperatura calculat és lleugerament superior al valor experimental. La distribució de la funció de control de la vorticitat, la temperatura i la resolució instantània calculada per VLE es mostra a la figura 7, on la línia sòlida es pren com a zst =0. 351. Es pot veure a la figura que la zona de raig central presenta una forta pulsació turbulenta i, a mesura que el camp de flux es desenvolupa aigües avall, l'escala de l'estructura del vòrtex augmenta gradualment. Com es pot observar a la figura 7 (b) i (c), a la majoria de les àrees de reacció química, la funció de control de resolució es troba entre 0 i 1, cosa que indica que la resolució local de la xarxa pot capturar turbulències a gran escala i només simular la turbulència a petita escala a través del model. En aquest moment, VLE es comporta com un mode de solució de simulació aproximat de grans. A la capa de cisalla i a la vora exterior de la flama aigües avall, la funció de control de resolució és propera a 1, cosa que indica que l'escala de filtre truncada de la xarxa computacional és més gran que l'escala de turbulència local. En aquest moment, VLE es comporta com un mode de solució mitjana de Reynolds inestable. En resum, es pot veure que el mètode VLES pot adonar-se de la transformació de múltiples modes de solució de turbulència segons les característiques en temps real de l’evolució de l’estructura del vòrtex i pot predir amb precisió el procés de combustió inestable en flames turbulents.
Simulació gran de remolí del procés d’atomització complet
La major part del combustible que s’utilitza a la cambra de combustió d’un motor d’avions és el combustible líquid. El combustible líquid entra a la cambra de combustió i pateix processos d’atomització primària i atomització secundària. Hi ha moltes dificultats per simular el procés d’atomització complet del combustible líquid, incloent la captura de la configuració de la interfície topològica de dos fases de gas-líquid de gas, la deformació i la ruptura de la columna líquida, l’evolució de ruptura de bandes líquides i filaments líquids en gotes i la interacció entre el flux turbulent i les gotes. Huang Ziwei [19] va desenvolupar un model de simulació de processos d’atomització complet basat en el mètode VLES, unit al mètode de càlcul d’atomització híbrid de VOFDPM, realitzant la simulació numèrica de procés complet de l’atomització de combustible de líquid continu a gotetes discretes.
Es va utilitzar un model de simulació de processos d’atomització recentment desenvolupat per dur a terme càlculs numèrics d’alta precisió del procés clàssic de columna líquida de flux lateral i es va fer una comparació detallada amb els resultats experimentals de la literatura oberta [2 0] i els grans resultats de càlcul de simulació de l’Eddy [21]. En l'exemple de càlcul, la fase gasosa és aire amb velocitats de 77,89 i 110,0 m/s, respectivament, i la fase líquida és aigua líquida amb una velocitat de 8,6 m/s. Els números de Weber corresponents són de 100 i 200, respectivament. Per tal de simular millor el procés de ruptura secundària, el model de ruptura adopta el model Kelvin-Helmholtz i Rayleigh-Taylor (KHRT).
El procés complet d’atomització previst per VLE sota la condició del número 100 de Weber es mostra a la figura 8. Com es pot veure a la figura, es forma una fulla fina de columna líquida a l’àrea inicial i, a continuació, la columna líquida es trenca en bandes líquides i filaments líquids i es trenca en gotes sota l’acció de la força aerodinàmica i les gotes es divideixen en drogues més petites a través de la ruptura secundària. La velocitat del flux i la distribució de vorticitat de la velocitat calculada per VLE sota la condició de Number 100 Weber es mostren a la figura 9. Com es pot veure a la figura, hi ha una zona típica de recirculació de baixa velocitat al costat de la columna líquida. Es pot trobar a partir de la distribució de vorticitat instantània que el costat de la columna de la columna líquida presenta una forta estructura de vòrtex i el fort moviment turbulent a la zona de recirculació de baixa velocitat contribueix a la ruptura de la fulla de columna líquida i a la formació de gotetes.
La relació del diàmetre inicial del raig a la dimensió de flux mínima del raig líquid quan la columna líquida comença a trencar -se sota diferents nombres de Weber es mostra a la figura 10. A la figura, DI és la dimensió de flux mínima del raig líquid quan la columna líquida comença a trencar -se i D3 és el diàmetre inicial del raig líquid. Es pot veure a la figura que els resultats del càlcul de VLE estan d’acord amb els resultats experimentals, que són millors que el gran càlcul de simulació de remolors de la literatura [21].
Inestabilitat de la combustió simulació de remolí molt gran
Per tal de complir els requisits de les baixes emissions, les cambres de combustió d’avions civils solen estar dissenyades amb combustió magra premixada o parcialment premixada. Tot i això, la combustió premezclada magra té una mala estabilitat i és propens a excitar els modes de combustió d’oscil·lació acoblats termoacústics, donant lloc a la inestabilitat de la combustió. La inestabilitat de la combustió és altament destructiva i pot anar acompanyada de problemes com el flashback i la deformació sòlida, que és un problema destacat amb el disseny de la cambra de combustió.
El càlcul numèric de la inestabilitat de la combustió es pot dividir en dues categories: el mètode de desacoblament i el mètode d'acoblament directe. El mètode de predicció de la inestabilitat de la combustió desacoblada desacobla la combustió inestable i les solucions acústiques. La combustió inestable requereix un gran nombre de mostres de càlcul numèriques per crear una funció de descripció de flama fiable. Si s’utilitza el gran mètode de càlcul de simulació d’eddy, el consum de recursos informàtics és massa gran. El mètode de càlcul d'acoblament directe es basa en el mètode de solució compressible i obté directament el resultat de la inestabilitat de la combustió mitjançant un càlcul inestable d'alta precisió, és a dir, el procés de càlcul d'acoblament de combustió i acústica inestable en condicions de treball determinades al mateix temps dins del mateix marc de càlcul.
En l'estudi de la simulació numèrica de la desacoblament de la inestabilitat de la combustió, Huang et al. [27] va desenvolupar un model de càlcul d'inestabilitat de la combustió basat en el mètode VLES, unit al mètode de càlcul de flama engrossint i va aconseguir una predicció precisa del procés de combustió inestable sota excitació acústica. L’exemple de càlcul és una flama estacionària d’etilè/aire totalment premixat del cos contundent desenvolupada per la Universitat de Cambridge, amb una relació d’equivalència de 0. 55 i un nombre de Reynolds d’uns 17000. La comparació entre els resultats de càlcul VLES i els resultats experimentals de la flama destacats característiques dinàmiques en excitació acústica es mostra a la figura 12. La flama s’enrotlla a les capes de cisalla interior i exterior i evoluciona cap a un parell de vòrtex contra la rotació. En aquest procés, l'evolució del perfil de flama en forma de bolet continua desenvolupant-se amb el canvi de l'angle de fase. El càlcul de VLES resulta bé reproduint les característiques de l'evolució de la flama observades en l'experiment. La comparació de l'amplitud i la diferència de fase de la resposta de la velocitat d'alliberament de calor de menys de 160 Hz Excitació acústica obtinguda per diferents mètodes de càlcul i mesures experimentals es mostra a la figura 13. A la figura, Q 'i Q͂ són l'alliberament de calor pulsant i l'alliberament de calor mitjà de la combustió, respectivament, a l'amplitud de l'amplitud de l'excitació acústica sinusoïdal i l'ordenada de la figura 13 (b) és la diferència de calor entre la combustió de la combustió de la combustió de la combustió de la combustió de la combustió de la combustió de la combustió de la combustió de la combustió de la combustió de la fase. Excitació acústica i senyal d’excitació de velocitat d’entrada. Com es pot veure a la figura, la precisió de la predicció del mètode VLES és comparable a la precisió de la simulació gran de remolí [28], i tots dos estan d’acord amb els valors experimentals. Tot i que el mètode RANS inestable preveu la tendència de resposta no lineal, els resultats quantitatius calculats es desvien molt dels valors experimentals. Per als resultats de la diferència de fase (figura 13 (b)), la tendència de la diferència de fase prevista pel mètode VLES amb l'amplitud de pertorbació és bàsicament coherent amb els resultats experimentals, mentre que els grans resultats de simulació de remolins no prediuen bé la tendència anterior.
