Kutatási előrehaladás a repülőgép -motor égési kamra aerodinamikai teljesítményének a nagy örvény szimuláció alapján
Az égési kamra a repülőgép motorjának egyik alapvető alkotóeleme, és az égési kamra aerodinamikai teljesítménye létfontosságú szerepet játszik a teljes motor teljesítményében. Annak érdekében, hogy megfeleljenek az égési kamrának a motor egyre szigorúbb műszaki követelményeinek, az égés -szervezet módja és az égési kamrában belüli áramlási jellemzők nagyon összetetté váltak. A diffúzor lassulási és nyomás alatt álló folyamata erős káros nyomásgradiens alatt szembesülhet az áramlás elválasztásával; A légáram áthalad egy többlépcsős örvényeszközön, hogy nagyméretű örvényszerkezetet képezzen, amely egyrészt elősegíti a folyékony üzemanyag porlasztását és elpárolgását, és erősen pulzáló, bizonytalan keveréket képez az üzemanyaggal, másrészt helyhez kötött lángot generál az aerodinamikus recirkulációs zónában; A fő égés/keverési lyuk többszörös fúvókája kölcsönhatásba lép a lángcső oldalsó áramlásával, hogy ellenforgató örvénypárt képezzen, amely fontos hatással van a turbulens keverésre. Az áramlás alapján a többszörös fizikai és kémiai folyamatok, például a porlasztás és a párolgás, a keverés, a kémiai reakció és a turbulencia és a láng közötti kölcsönhatás erősen összekapcsolódnak, amelyek együttesen meghatározzák az égési kamra aerodinamikai tulajdonságait. Ezeknek a fizikai és kémiai folyamatoknak a nagy pontosságú modellezése és kiszámítása mindig is a kutatás forró témája volt otthon és külföldön.
Az égési kamra porlasztása, párolgási, keverési és égési folyamatok turbulens áramlási környezetben fejlődnek és fejlődnek, tehát az áramlás az alapja az égési kamra aerodinamikai teljesítményének szimulációjának. A turbulencia alapvető jellemzője, hogy az áramlási paraméterek véletlenszerű pulzációt mutatnak a nemlineáris konvekciós folyamat miatt. A turbulencia számos örvényszerkezetet tartalmaz. A különböző örvények hossza és az idő skálája hatalmas, és a Reynolds szám növekedésével a skálák közötti szakaszok hirtelen növekednek. A közvetlenül oldott turbulens örvényszerkezetek aránya szerint a turbulencia-szimulációs módszereket közvetlen numerikus szimulációra (DNS), Reynolds-átlagolt Navier-Stokes (RANS), nagy örvényszimuláció (LES) és vegyes turbulencia-szimulációs módszerekre osztják. A RANS módszer, amelyet széles körben használnak a mérnöki munkában, megoldja a turbulens átlagmezőt, és modellt használ az összes turbulens pulzációs információ szimulálására. A számítási összeg kicsi, de a pontosság rossz. Az égési kamrában az erős örvény- és bizonytalan áramlási folyamatokhoz a RANS nem felel meg a finomított tervezés követelményeinek. Pitsch rámutatott, hogy a LES számítási komplexitása a RANS és a DNS között van, és jelenleg a turbulens égési számításokhoz használják, korlátlan terekben, közepes és alacsony Reynolds számokkal. Az égési kamra falának közeli területén a turbulencia kis méretének és az áramlás magas Reynolds-számának köszönhetően a LES kiszámításához szükséges rácsok mennyisége önmagában az égési kamra egyetlen fejének kiszámításához szükséges. Az ilyen magas számítási erőforrás -fogyasztás korlátozza a LES széles körű használatát az égési kamra szimulációkban.
A nagy pontosságú számítási modellek és módszerek létrehozása a nagyon nagy örvény szimuláció (VLE) és a hibrid RANS-LLS módszer keretein alapul, a numerikus szimuláció fontos tendenciája. A Han et al. Megoldja az alacsony számítási hatékonyság problémáját, amelyet a rács skála szűrése és a turbulencia-skála megfelelő korlátozásainak megoldása okoz a hagyományos LES-ben, és megvalósítja a kapcsolási modellezést a turbulencia többszörös jellemzői, az átmeneti evolúciós jellemzők és a rácsfelbontás között. , A VLES adaptív módon beállítja a turbulencia-megoldás és a modellmodellezés arányát az örvényszerkezet evolúciójának valós idejű jellemzői alapján, jelentősen csökkentve a számítási pontosságot, miközben biztosítja a számítási pontosságot.
Ennek ellenére, a hagyományos LES -hez képest, a VLE elméletét és jellemzőit nem vizsgálták és nem használták. Ez a cikk szisztematikusan bemutatja a VLE modellezési elméletét és annak alkalmazáshatásait az égéskamrákhoz kapcsolódó különféle fizikai forgatókönyvekben, elősegítve a VLE nagyszabású alkalmazását a repülőgép-motor égési kamra szimulációjának területén.
Nagy örvény szimulációs módszer
A turbulencia -szimulációs módszerek hatását az erőforrás -fogyasztás és a modellek kiszámítására az 1. ábra mutatja. Meg kell jegyezni, hogy a VLE -k legkorábbi egyértelmű meghatározását pápa adta, amely arra utal, hogy "a számítási rács skála túl durva, így a közvetlenül megoldott turbulens kinetikus energia a teljes turbulens kinetikai energia kevesebb, mint 80% -a". Ugyanakkor a pápa [6] által megadott LES jelentése: "A számítási rács nagyon finom, így a közvetlenül megoldott turbulens kinetikus energia meghaladja a teljes turbulens kinetikus energia 80% -át". Ennek ellenére meg kell jegyezni, hogy a cikkben bevezetett VLES egy új számítási módszer, amelyet az előző módszer alapján átalakítottak és fejlesztettek ki. Noha a nevek azonosak, az új VLES módszer lényegében különbözik a pápa által meghatározott VLES módszertől. Amint az ábrán látható, a hagyományos turbulencia módok a RANS, az Urans, a hibrid RANS/LES, a LES és a DNS a számítási pontosság szerint. Az új modellkeret keretében a turbulencia módokat RAN -ra, VLES -re és DNS -re osztják a számítási pontosság szempontjából. Vagyis a VLES módszer felismeri a több hagyományos turbulencia mód egyesítését, és a különböző modellek adaptív módon átmenetet adnak, és simán konvertálnak a helyi tulajdonságok szerint a tényleges számítások során.
A tipikus fizikai folyamatok szimulálása az égési kamrában
Nagyon nagy örvény szimuláció az erős kavargó áramlásról
A repülőgép motor égési kamra általában olyan áramlási terepi szervezeti formákat alkalmaz, mint például a többlépcsős kavargó és az erős kavarog. Az örvényáram az égési kamrában a legalapvetőbb áramlási forma. Mivel az örvény mind az áramlási, Ezért a Swirl numerikus szimulációja nagy kihívást jelent a turbulencia -szimulációs módszer számára. Xia et al. A VLES módszerrel kiszámította a klasszikus erős örvényáram -példát a csőben; Dellenback et al. [14] áramlási mezőkísérleteket végzett ezen a példán, és részletes kísérleti adatokkal rendelkeznek. A kiszámított példa Reynolds áramlási száma 1. A számításban két strukturált rácskészletet használunk. A ritka rácsok (M1) teljes száma körülbelül 900, 000, és a titkosított rácsok (M2) teljes száma körülbelül 5,1 millió. A számítással kapott statisztikai nyomaték eredményeit a kísérleti eredményekhez képest a VLES módszer kiszámításának pontosságának ellenőrzése céljából is összehasonlítják.
A különböző módszerek számítási eredményeinek és a kerületi átlagos sebesség és a pulzáló sebesség sugárirányú eloszlásának kísérleti eredményeinek összehasonlítását az erős kavargó áramlás alatt különböző lefelé mutató helyzetben a 4. ábrán mutatjuk be. Az ábrán a vízszintes és függőleges koordináták méret nélküli távolság és méret nélküli sebesség nélküli sebesség, ahol a D1 átmérője a bemeneti kör alakú cső átmérője. Amint az az ábrán látható, az áramlási mező egy tipikus rankin-szerű vegyület örvényt mutat, amely fokozatosan átmenetel egy merev test örvényére. A számítás és a kísérleti eredmények összehasonlításával kiderül, hogy a VLES módszernek nagy a számítási pontossággal az erős kavargó áramlás kerületi sebességének előrejelzése, ami jó egyezség a kísérleti mérések eloszlásával. A hagyományos RANS módszer nagyon nagy eltéréssel rendelkezik a kavargó áramlásának kiszámításában, és nem tudja helyesen megjósolni a Swirl áramlási mező térbeli fejlődését és a turbulens pulzációt. Összehasonlításképpen: a VLES módszer nagyon nagy pontossággal rendelkezik az átlagos sebességmező, a pulzáló sebességmező és a térbeli evolúció előrejelzésében, komplex erős kavargó áramlás mellett, és továbbra is garantálhatja a nagy számítási pontosságot, még egy viszonylag ritka rácsfelbontás esetén is. A kerületi átlagos sebesség előrejelzéséhez a VLES módszer számítási eredményei alapvetően következetesek a ritka és sűrű rácsfelbontás két halmazánál.
A turbulens égés nagy örvény szimulációja
Annak érdekében, hogy megvizsgáljuk a VLES módszer megvalósíthatóságát a turbulens égési problémák előrejelzésében [15-16], a VLES módszerrel alapuló turbulens égési modellt fejlesztettünk ki a lángoló generált elosztókkal (FGM). Az alapvető ötlet az, hogy azt feltételezzük, hogy a turbulens lángnak egydimenziós lamináris lángszerkezete van helyben, és a turbulens lángfelület a lamináris lángfelületek sorozatának együttese. Ezért a nagydimenziós komponens helyét egy alacsony dimenziós áramlási mintázathoz lehet térképezni, amely több jellemző változóból áll (keverékfrakció, reakció előrehaladási változó stb.). A részletes reakciómechanizmus figyelembevételével a megoldandó szállítási egyenletek száma jelentősen csökken, ezáltal jelentősen csökkentve a számítási költségeket.
A konkrét megvalósítási folyamat az FGM lamináris adattáblázat felépítése a keverékfrakció és a reakció előrehaladási változók alapján, vegye figyelembe a turbulens égés közötti kölcsönhatást a valószínűségi sűrűségfüggvény módszerének feltételezésével, hogy integrálja a lamináris adattáblát, és így megkapja a turbulens adattáblát. A numerikus számításban a keverékfrakció, a reakció előrehaladási változók és a megfelelő variancia szállítási egyenleteit oldják meg, és az égési mezőinformációkat a turbulens adattáblázat lekérdezésével kapjuk meg.
A VLES -en és az FGM -en alapuló turbulens égési modellt használtuk a metán/levegő turbulens sugárhajtású lángon (D láng) numerikus számítások elvégzéséhez, amelyeket az Egyesült Államokban a Sandia Laboratory mért, és a kísérleti mérési adatokkal kvantitatív összehasonlításokat végeztünk. A Sandia Láng példa (Reynolds száma 22400) üzemanyag -anyagának metán és levegő teljes keveréke, 1: 3 térfogatarányt, az üzemanyag -bemeneti sebesség körülbelül 49,9 m/s, és az ébresztési sebesség körülbelül 11,4 m/s. A szolgálat lángja az égett metán és a levegő keveréke, az ébren lévő anyag tiszta levegő. A számítás strukturált rácsot használ, és a rácsok teljes száma körülbelül 1,9 millió.
A tengely mentén a különböző komponensek átlagos tömegfrakciójának eloszlását az 5. ábra mutatja. Az ábrán látható vízszintes és függőleges koordináták méret nélküli távolság (a D2 a bemeneti sugárhajtócső átmérője) és a méret nélküli tömegfrakció. Az ábrából látható, hogy az égési folyamat fő alkotóelemeinek a VLES módszerrel történő előrejelzése általában jó egyezést mutat a kísérleti eredményekkel. A hőmérséklet szétszórt eloszlását a keverékfrakció térségében a 6. ábra mutatja. Az ábrán látható, hogy a VLES módszerrel előrejelzett szétszórt eloszlási tendencia alapvetően összhangban van a kísérleti eredményekkel, és csak a kiszámított hőmérséklet szélsőséges értéke valamivel magasabb, mint a kísérleti értéknél. A VLES által kiszámított pillanatnyi örvényesség, hőmérséklet és felbontási kontroll funkció eloszlását a 7. ábra mutatja, ahol a folytonos vonalat ZST =0. 351. Az ábrából látható, hogy a mag sugárterület erős turbulens pulzációt mutat, és mivel az áramlási mező lefelé fejlődik, az örvényszerkezet skálája fokozatosan növekszik. Amint az a 7. b) és (c) ábrán látható, a legtöbb kémiai reakcióterületen a felbontási kontroll funkció a 0 és az 1 között van, jelezve, hogy a helyi rácsfelbontás képes nagy léptékű turbulenciát rögzíteni, és csak a modellen keresztül szimulálja a kis léptékű turbulenciákat. Ebben az időben a VLES hozzávetőleges nagy örvényszimulációs megoldás módként viselkedik. A sugárhajtású nyírási rétegben és a downstream láng külső szélében a felbontási vezérlő funkció közel 1 -hez, jelezve, hogy a számítási rács csonka szűrő skálája nagyobb, mint a helyi turbulencia skála. Ebben az időben a VLES bizonytalan Reynolds átlagos megoldási módként viselkedik. Összegezve, látható, hogy a VLES módszer felismerheti a több turbulencia-oldat módját az örvényszerkezet evolúciójának valós idejű tulajdonságai szerint, és pontosan megjósolja a turbulens lángokban a bizonytalan égési folyamatot.
A teljes porlasztási folyamat nagy örvény szimulációja
A repülőgép motor égési kamrájában használt üzemanyag nagy része folyékony üzemanyag. A folyékony üzemanyag belép az égési kamrába, és elsődleges porlasztási és másodlagos porlasztási folyamatokon megy keresztül. Számos nehézség van a folyékony üzemanyag teljes porlasztási folyamatának szimulálásában, ideértve a gáz-folyadék kétfázisú topológiai interfész-konfigurációjának rögzítését, a folyékony oszlop deformációját és a szakadást, a folyékony sávok és a folyékony szálak cseppekké történő szakítását, valamint a turbulens áramlás és a cseppek közötti kölcsönhatást. Huang Ziwei [19] kidolgozott egy teljes porlasztási folyamat szimulációs modellt, amely a VLLS módszerrel, a VOFDPM hibrid porlasztási számítási módszerrel, az üzemanyag-porlasztás teljes folyamatú numerikus szimulációjával a folyamatos folyadékból a diszkrét cseppekig.
Egy újonnan kifejlesztett porlasztási folyamat-szimulációs modellt használtunk a klasszikus laterális áramlási folyadék oszlop porlasztási folyamat nagy pontosságú numerikus számításainak elvégzésére, és részletes összehasonlítást végeztünk a nyitott irodalomban [2 {6}}] és a nagy örvény szimulációs számítási eredményekkel [21]. A számítási példában a gázfázis 77,89 és 110,0 m/s sebességgel, a folyékony fázis pedig a folyékony víz, 8,6 m/s sebességgel. A megfelelő Weber -számok 100 és 200. A másodlagos szakadási folyamat jobb szimulálása érdekében a szakadási modell elfogadja a Kelvin-Helmholtz és a Rayleigh-Taylor (KHRT) modellt.
A VLES által a Weber 100 -as állapotban előrejelzett teljes porlasztási folyamatot a 8. ábra mutatja. Amint az ábrán látható, a kezdeti területen egy vékony folyékony oszlop képződik, majd a folyékony oszlop folyékony sávokra és folyékony szálakba bomlik, és az aerodinamikai erő hatása alatt cseppekbe szakad, és a cseppek még kisebb cseppekre törnek a másodlagos szünetek során. A patak sebességét és a spanwise örvényesség eloszlását a VLE-kkel kiszámították a Weber 100-as állapotban a 9. ábrán. Amint az ábrán látható, a folyékony oszlop leeward oldalán egy tipikus alacsony sebességű keringési zóna van. A pillanatnyi örvényesség eloszlásából megtalálható, hogy a folyékony oszlop lefelé mutató oldala erős örvényszerkezetet mutat, és az alacsony sebességű recirkulációs zóna erős turbulens mozgása hozzájárul a folyékony oszloplemez megszakításához és a cseppek képződéséhez.
A kezdeti sugár átmérőjének és a folyékony sugárhajtás minimális áramlási méretének aránya, amikor a folyékony oszlop különböző Weber -számok alatt elkezdi szakadni, a 10. ábrán látható. Az ábrán a DI a folyékony sugárhajtómű minimális áramlási mérete, amikor a folyékony oszlop megszakad, és a D3 a kezdeti folyadéklemez átmérője. Az ábrából látható, hogy a VLES számítási eredményei jó egyezést mutatnak a kísérleti eredményekkel, amelyek jobbak, mint a nagy örvény szimulációs számítási eredmények az irodalomban [21].
Égési instabilitás nagyon nagy örvényszimuláció
Az alacsony kibocsátás követelményeinek való megfelelés érdekében a polgári repülőgép -égési kamrákat általában előkevert vagy részben előkevert sovány égéssel tervezték. A sovány előkevert égésnek azonban rossz stabilitása van, és hajlamos a hő- és kapcsolt oszcillációs égési módok izgatására, ami égés instabilitásához vezet. Az égés instabilitása nagyon pusztító, és olyan problémákkal járhat, mint például a visszacsatolás és a szilárd deformáció, amely egy kiemelkedő probléma, amellyel az égéskamra kialakítása szembesül.
Az égés instabilitásának numerikus kiszámítása két kategóriába sorolható: a leválasztási módszer és a közvetlen kapcsolási módszer. A leválasztott égés -instabilitási előrejelzési módszer csökkenti a bizonytalan égést és az akusztikus megoldásokat. A bizonytalan égéshez nagyszámú numerikus számítási mintát igényel a megbízható lángleírási funkció felépítéséhez. Ha a nagy örvény szimulációs számítási módszert alkalmazzák, akkor a számítási erőforrások fogyasztása túl nagy. A közvetlen kapcsolási számítási módszer a tömöríthető megoldás módszerén alapul, és közvetlenül az égési instabilitás eredményét kapja nagy pontosságú, nem állandó kiszámítás révén, azaz a kapcsolódó kiszámítási folyamat a nem állandó égés és az akusztika során az adott munkakörülmények között befejeződik ugyanazon számítási kereten belül.
Az égés instabilitásának leválasztásának numerikus szimulációjának vizsgálatában Huang et al. [27] kifejlesztett egy égési instabilitási számítási modellt, amely a VLES módszerrel, a vastagító lángszámítási módszerrel párosulva, és a nem állandó égési folyamat pontos előrejelzését elérte akusztikus gerjesztés mellett. A számítási példa egy tompa test helyhez kötött etilén/levegő, teljesen előkevert láng, amelyet a Cambridge University fejlesztett ki, ekvivalenciaarányával 0. Átgurul a belső és a külső nyírási rétegeknél, és egy ellenforgató örvénypárgá alakul. Ebben a folyamatban a gomba alakú lángprofil fejlődése a fázisszög megváltozásával tovább fejlődik. A VLES számítási eredményei jól reprodukálják a láng evolúciós jellemzőit a kísérletben. A hőkibocsátási sebességválasz amplitúdójának és fáziskülönbségének összehasonlítása 160 Hz -es akusztikus gerjesztés alatt, amelyet különböző számítási módszerekkel nyertek, és a kísérleti méréseket a 13. ábra mutatja. Akusztikus gerjesztés és a bemeneti sebesség gerjesztési jele. Amint az ábrán látható, a VLES módszer előrejelzési pontossága összehasonlítható a nagy örvény szimuláció pontosságával [28], és mindkettő jó egyezést mutat a kísérleti értékekkel. Noha a bizonytalan RANS módszer előrejelzi a nemlineáris válasz tendenciáját, a kiszámított kvantitatív eredmények nagymértékben eltérnek a kísérleti értékektől. A fáziskülönbség -eredmények esetében (13. ábra (b) ábra) a VLES módszerrel megjósolt fáziskülönbség tendenciája a zavar amplitúdójával alapvetően összhangban áll a kísérleti eredményekkel, míg a nagy örvény szimulációs eredmények nem jósolják meg a fenti tendenciát.
