Напредъкът на научните изследвания по аеродинамична работа на камерата за горене на въздухоплавателните двигатели въз основа на голяма вихрова симулация
Камерата за горене е един от основните компоненти на двигателя на самолета, а аеродинамичната производителност на горивната камера играе жизненоважна роля в работата на целия двигател. За да се отговори на все по -строгите технически изисквания на двигателя за камерата за горене, режимът на организация на горенето и характеристиките на потока вътре в камерата за горене станаха много сложни. Процесът на забавяне и налягане на дифузора може да се изправи срещу разделянето на потока при силен градиент на неблагоприятното налягане; Въздушният поток преминава през многоетапна вихър устройство, за да образува мащабна вихрова структура, която от една страна насърчава атомизацията и изпаряването на течното гориво и образува силно пулсираща, нестабилна смес с горивото, а от друга страна генерира стационарен пламък в аеродинамичната рециркулационна зона; Множествените струи на основния отвор за изгаряне/смесване взаимодействат със страничния поток в пламъчната тръба, за да образуват контра-въртяща се двойка вихър, която оказва важно влияние върху турбулентното смесване. Въз основа на потока многомащабните физически и химични процеси като атомизация и изпаряване, смесване, химическа реакция и взаимодействие между турбулентност и пламък са силно свързани, които съвместно определят аеродинамичните характеристики на горивната камера. Високото прецизно моделиране и изчисляване на тези физически и химични процеси винаги са били гореща тема за изследване у дома и в чужбина.
Процесите на атомизация, изпаряване, смесване и горене в камерата за горене се развиват и се развиват в турбулентна среда на потока, така че потокът е основата за симулирането на аеродинамичната характеристика на горивната камера. Основната характеристика на турбулентността е, че параметрите на потока показват произволна пулсация поради нелинейния процес на конвекция. Турбулентността съдържа много вихрови структури. Продължителността на различни вихри по дължина и времеви скали са огромни и с увеличаването на броя на Рейнолдс, разстоянието между везните рязко се увеличава. Според съотношението на турбулентните вихрови структури, които са директно решени, методите за симулация на турбулентност са разделени на директна числена симулация (DNS), средно на Reynolds Navier-Stokes (RANS), голяма вихрова симулация (LES) и смесени методи за симулация на турбулентност. Методът RANS, който се използва широко в инженерството, решава турбулентното средно поле и използва модел за симулиране на цялата турбулентна пулсационна информация. Сумата на изчислението е малка, но точността е лоша. За силни вихрови и нестабилни процеси на потока в горивната камера RANS не може да отговори на изискванията на изискания дизайн. Pitsch посочи, че изчислителната сложност на LES е между RANS и DNS и понастоящем се използва за турбулентни изчисления на горене в неограничени пространства със средни и ниски числа на Рейнолдс. Поради малкия мащаб на турбулентност в близост до стената на горивната камера и високия брой на Рейнолдс на потока, количеството решетки, необходими за изчисляване на LES на една глава на горивната камера, е само в стотиците милиони до милиарди. Такова високо изчисление на ресурсите ограничава широкото използване на LES в симулации на горивна камера.
Създаването на модели и методи за изчисление с висока точност, базирани на много голямата вихрова симулация (VLES) и хибридни рамки за методи на RANS-LES, е важна тенденция в числената симулация. Методът VLES, разработен от Han et al. Решава проблема с ниската изчислителна ефективност, причинена от филтриране на скалата на мрежата и решаване на ограниченията на скалата на турбулентността в традиционните LES и осъзнава свързването на моделиране между многомащабни характеристики на турбулентността, характеристики на преходна еволюция и разделителна способност на мрежата. , VLES адаптивно коригира съотношението между разтвора на турбулентност и моделирането на модела въз основа на характеристиките в реално време на еволюцията на структурата на вихъра, като значително намалява изчислителните разходи, като същевременно гарантира точността на изчисленията.
Въпреки това, в сравнение с традиционните LES, теорията и характеристиките на VLE не са широко проучени и използвани. Този документ систематично въвежда теорията за моделиране на VLES и неговите ефекти на приложението при различни физически сценарии, свързани с горивни камери, насърчавайки мащабното приложение на VLES в областта на симулацията на горивна камера на двигателя на самолета.
Голям метод за симулация на вихри
Влиянието на методите за симулация на турбулентност върху изчислителната консумация на ресурси и модели е показано на фигура 1. RANS, LES и VLES методи постигат симулация на потока чрез моделиране на турбулентност. Трябва да се отбележи, че най -ранното явно определение на VLE е дадено от папата, което се отнася до "изчислителната скала на мрежата е твърде груба, така че турбулентната кинетична енергия директно решена е по -малка от 80% от общата турбулентна кинетична енергия". В същото време значението на LES, дадено от папата [6], е „изчислителната мрежа е много фина, така че турбулентната кинетична енергия директно е решена е по -голяма от 80% от общата турбулентна кинетична енергия“. Независимо от това, трябва да се отбележи, че VLE, въведени в тази статия, е нов изчислителен метод, който е преустроен и разработен въз основа на предишния метод. Въпреки че имената са еднакви, новият метод на VLES по същество се различава от метода на VLES, дефиниран от папата. Както се вижда от фигурата, традиционните режими на турбулентност са RANS, Urans, хибридни RANS/LES, LES и DNS в ред на точност на изчисляване. При новата моделна рамка режимите на турбулентност са разделени на RANS, VLES и DNS по ред на точността на изчисляване. Тоест, методът VLES осъзнава обединението на множество традиционни режими на турбулентност и различни модели адаптивно преминават и преобразуват плавно според локалните характеристики в действителните изчисления.
Симулация на типични физически процеси в горивната камера
Много голяма вихрова симулация на силен въртящ се поток
Камерата за горене на двигателя на самолет обикновено приема форми за организация на полето на потока като многоетапен вихър и силен вихър. Въртящият поток е най -основната форма на потока в камерата за горене. Тъй като Swirl е доминиращ както в посока на потока, така и в тангенциалната посока, турбулентното пулсиране на вихъра има по -силна анизотропия от традиционния поток на тръбата, потока на канала и реактивния поток. Следователно числената симулация на Swirl представлява голямо предизвикателство за метода на симулация на турбулентност. Xia et al. използва метода VLES за изчисляване на класическия пример за силен вихър в тръбата; Dellenback et al. [14] проведоха експерименти с полето на потока на този пример и имат подробни експериментални данни. Брой на потока Reynolds на изчисления пример е 1. 0 × 105 (въз основа на диаметъра на кръговата тръба), а номерът на вихъра е 1.23. При изчислението се използват два набора от структурирани решетки. Общият брой на оскъдните решетки (M1) е около 900, 000, а общият брой на криптираните решетки (M2) е около 5,1 милиона. Резултатите от статистическия момент, получени чрез изчисление, се сравняват допълнително с експерименталните резултати, за да се провери точността на изчисляване на метода VLES.
The comparison of the calculation results of different methods and the experimental results of the radial distribution of the circumferential average velocity and pulsating velocity at different downstream positions under strong swirling flow is shown in Figure 4. In the figure, the horizontal and vertical coordinates are dimensionless distance and dimensionless velocity, respectively, where D1 is the diameter of the inlet circular pipe and Uin is the inlet average velocity. Както се вижда от фигурата, полето на потока показва типичен вихър, подобен на ранкин, постепенно преминаващ към един твърд вихър на тялото. Сравнявайки изчислението и експерименталните резултати, може да се установи, че методът VLES има висока точност на изчисление за прогнозиране на периферната скорост на силен въртящ се поток, което е в добро съгласие с разпределението на експерименталните измервания. Традиционният метод на RANS има много голямо отклонение в изчисляването на въртящия се поток и не може правилно да предвиди пространствената еволюция на полето на вихър и турбулентно пулсация. За сравнение, методът на VLES има много висока точност в прогнозирането на средното поле на скоростта, пулсиращо полето на скоростта и пространствената еволюция при сложен силен въртящ се поток и все още може да гарантира висока точност на изчисление дори при сравнително оскъдна разделителна способност на мрежата. За прогнозиране на обиколциалната средна скорост, резултатите от изчислението на метода VLES са основно последователни в два набора от оскъдни и плътни резолюции на решетката.
Голяма вихрова симулация на турбулентно горене
За да се проучи осъществимостта на метода на VLES при прогнозиране на турбулентни проблеми с горенето [15-16], е разработен турбулентен модел на горене, базиран на метода на VLES, съчетан с генерираните колекторци (FGM). Основната идея е да се предположи, че турбулентният пламък има едномерна ламинарна структура на пламъка локално, а турбулентната повърхност на пламъка е средата на ансамбъла на поредица от ламинарни пламъчни повърхности. Следователно, високомерното компонентно пространство може да бъде картографирано по нискомерния модел на потока, съставен от няколко характерни променливи (фракция на сместа, променлива за прогрес на реакцията и т.н.). При условие за разглеждане на подробния механизъм за реакция, броят на транспортните уравнения, които трябва да бъдат решени, е значително намален, като по този начин значително намалява изчислителните разходи.
Специфичният процес на изпълнение е да се конструира таблицата с данни за ламинарни данни на FGM въз основа на променливите на фракцията на сместа и прогреса на реакцията, помислете за взаимодействието между турбулентното горене, като приемете метода на функцията на плътността на вероятността за интегриране на таблицата с ламинарни данни и по този начин да се получи турбулентната таблица с данни. При численото изчисление транспортните уравнения на фракцията на сместа, променливите на напредъка на реакцията и съответната дисперсия се решават и информацията за полето за горене се получава чрез запитване на турбулентната таблица с данни.
Моделът на турбулентното горене, базиран на VLES и FGM, се използва за извършване на числени изчисления на метан/въздушен турбулентен реактивен пламък (пламък D), измерени от лабораторията на Sandia в Съединените щати, и количествени сравнения са направени с експерименталните данни за измерване. Горивният материал на примера на пламъка S Sandia D (числото на Рейнолдс е 22400) е пълна смес от метан и въздух със съотношение на обем 1: 3, скоростта на входа на горивото е около 49,9 m/s, а скоростта на събуждане е около 11,4 m/s. Дълговият пламък е смес от изгорял метан и въздух, а материалът за събуждане е чист въздух. Изчислението използва структурирана мрежа, а общият брой на решетките е около 1,9 милиона.
Разпределението на средната маса на масата на различните компоненти по оста е показано на фигура 5. Хоризонталните и вертикалните координати на фигурата са безразмерно разстояние (D2 е диаметърът на входящата струйна тръба) и безразмерната масова фракция, съответно. От фигурата може да се види, че прогнозирането на основните компоненти на процеса на горене по метода на VLES обикновено е в добро съгласие с експерименталните резултати. Разпръснатото разпределение на температурата в различни позиции надолу по течението в пространството на фракцията на сместа е показано на фигура 6. От фигурата може да се види, че тенденцията на разпръснато разпределение, предвидена по метода на VLES, е основно в съответствие с експерименталните резултати и само изчислената температурна екстремна стойност е малко по -висока от експерименталната стойност. Разпределението на моменталната функция за контрол на вихровата вихра, температурата и разделителната способност, изчислена с VLES, е показано на фигура 7, където плътната линия се приема като ZST =0. 351. От фигурата може да се види, че основната реактивна зона показва силна турбулентна пулсация и докато полето на потока се развива надолу по течението, мащабът на структурата на вихъра постепенно се увеличава. Както се вижда от фигура 7 (б) и (в), в повечето области на химическата реакция, функцията за контрол на разделителната способност е между 0 и 1, което показва, че локалната разделителна способност на мрежата може да улавя мащабна турбулентност и да симулира само дребномащабна турбулентност през модела. По това време VLES се държи като приблизителен голям режим на решение за симулация. В слоя на срязване на струята и външния ръб на пламъка надолу по веригата, функцията за управление на разделителната способност е близо до 1, което показва, че отсечената скала на филтъра на изчислителната мрежа е по -голяма от локалната скала на турбулентност. По това време Vles се държи като нестабилен режим на средно решение на Рейнолдс. В обобщение, може да се види, че методът на VLES може да реализира трансформацията на множество режими на разтвор на турбулентност според характеристиките в реално време на еволюцията на структурата на вихъра и може точно да предвиди нестабилния процес на горене в бурни пламъци.
Голяма вихрова симулация на пълния процес на атомизация
По -голямата част от горивото, използвано в камерата за горене на двигателя на самолета, е течно гориво. Течното гориво влиза в камерата за горене и претърпява първична атомизация и вторична атомизация. Има много трудности при симулирането на пълния процес на атомизация на течно гориво, включително улавянето на двуфазната топологична конфигурация на интерфейса, деформация на течната колона, деформация на течните колони и разкъсване, разпадането на еволюцията на течните ленти и течните нишки в капчици и взаимодействието между турбулентния поток и капчици. Huang Ziwei [19] разработи пълен модел на симулация на процеса на атомизация, базиран на метода на VLES, съчетан с метода за изчисляване на хибридна атомизация на VOFDPM, реализирайки числената симулация на атомизация на горивото от непрекъсната течност до дискретни капчици.
Наскоро разработеният модел на симулация на процеса на атомизация е използван за извършване на високо прецизно числени изчисления на класическия процес на атомизация на течността на страничния поток и е направено подробно сравнение с експерименталните резултати в отворената литература [2 0] и големите резултати от изчисляване на симулацията на Eddy [21]. В примера за изчисление газовата фаза е въздух със скорости съответно 77,89 и 110,0 m/s, а течната фаза е течна вода със скорост 8,6 m/s. Съответните числа на Weber са съответно 100 и 200. За да симулира по-добре процеса на вторично разпадане, моделът на разпадане приема модела Kelvin-Helmholtz и Rayleigh-Taylor (KHRT).
The complete atomization process predicted by VLES under the Weber number 100 condition is shown in Figure 8. As can be seen from the figure, a thin sheet of liquid column is formed in the initial area, and then the liquid column breaks into liquid bands and liquid filaments, and breaks into droplets under the action of aerodynamic force, and the droplets are further broken into smaller droplets through secondary breakup. Скоростта на потока и разпределението на вихъра на вихъра, изчислено от VLES при условието на Weber Number 100, са показани на фигура 9. Както се вижда от фигурата, има типична зона за рециркулация с ниска скорост от подветрената страна на течната колона. От моменталното разпределение на вихровата вихри може да се намери, че страничната страна на течната колона показва силна структура на вихър, а силното турбулентно движение в зоната на рециркулация с ниска скорост допринася за разкъсване на листата на течната колона и образуването на капчици.
Съотношението на началния диаметър на струята към минималния размери на потока на течната струя, когато течната колона започне да се разпада при различни числа на Вебер, е показано на фигура 10. На фигурата DI е минималният размери на потока на течната струя, когато течната колона започне да се разпада, а D3 е първоначалният диаметър на течността. От фигурата може да се види, че резултатите от изчисленията на VLES са в добро съгласие с експерименталните резултати, които са по -добри от голямото изчисление на симулацията на вихри води до литературата [21].
Нестабилност на горенето Много голяма вихрова симулация
За да се отговори на изискванията на ниските емисии, камерите за изгаряне на гражданските самолети обикновено са проектирани с предварително смесено или частично смесено постно горене. Въпреки това, постно смесено изгаряне има лоша стабилност и е предразположен към възбуждане на термоакустични режими на изгаряне на трептене, което води до нестабилност на горенето. Нестабилността на горенето е силно разрушителна и може да бъде придружена от проблеми като светкавица и твърда деформация, което е виден проблем, с който се сблъскват дизайна на горивната камера.
Численото изчисляване на нестабилността на горенето може да бъде разделено на две категории: метод на отделяне и метод за директно свързване. Методът за прогнозиране на нестабилността на отделянето отделя нестабилното горене и акустичните решения. Нестабилното изгаряне изисква голям брой проби от числено изчисление, за да се изгради надеждна функция за описание на пламъка. Ако се използва големият метод за изчисляване на симулацията на вихри, консумацията на изчислителни ресурси е твърде голямо. Методът за изчисляване на директното свързване се основава на метода на сгъваем разтвор и директно получава резултата от нестабилността на горенето чрез високо прецизно нестабилно изчисление, тоест процесът на изчисляване на свързването на нестабилното изгаряне и акустиката при дадени условия на труд е завършен на едно време в рамките на една и съща рамка за изчисление.
В проучването на числената симулация на отделяне на нестабилност на горенето, Huang et al. [27] разработи модел за изчисляване на нестабилността на горенето въз основа на метода на VLES, съчетан с метода за изчисляване на сгъстяването на пламъка, и постигна точно прогнозиране на нестабилния процес на горене при акустично възбуждане. Примерът за изчисление е тъп стационарен етилен/въздух, напълно насмерен пламък Преобръща се на вътрешните и външните слоеве на срязване и се развива в двойка на вихър-въртяща се въртяща се. В този процес еволюцията на профила във формата на гъби продължава да се развива с промяната на фазовия ъгъл. Изчисляването на VLES води добре да възпроизведе характеристиките на еволюцията на пламъка, наблюдавани в експеримента. The comparison of the amplitude and phase difference of the heat release rate response under 160 Hz acoustic excitation obtained by different calculation methods and experimental measurements is shown in Figure 13. In the figure, Q' and Q͂ are the pulsating heat release and average heat release of combustion, respectively, A is the amplitude of sinusoidal acoustic excitation, and the ordinate of Figure 13 (b) is the phase difference between the transient heat release signal of combustion under acoustic възбуждане и сигнал за възбуждане на скоростта на входа. Както се вижда от фигурата, точността на прогнозиране на метода VLES е сравнима с точността на голямата симулация на вихри [28] и двете са в добро съгласие с експерименталните стойности. Въпреки че методът на нестабилния RANS прогнозира тенденцията на нелинейна реакция, изчислените количествени резултати се отклоняват значително от експерименталните стойности. За резултатите от разликата на фазата (Фигура 13 (б)) тенденцията на фазовата разлика, предвидена по метода на VLES с амплитудата на смущение, е основно в съответствие с експерименталните резултати, докато големите резултати от симулацията на вихри не предвиждат горната тенденция.
