Progressi della ricerca sulle prestazioni aerodinamiche della camera di combustione del motore aeronautico basato su una grande simulazione di Eddy
La camera di combustione è uno dei componenti principali di un motore aeronautico e le prestazioni aerodinamiche della camera di combustione svolgono un ruolo vitale nelle prestazioni dell'intero motore. Al fine di soddisfare i requisiti tecnici sempre più rigorosi del motore per la camera di combustione, la modalità organizzazione di combustione e le caratteristiche di flusso all'interno della camera di combustione sono diventati molto complessi. Il processo di decelerazione e pressurizzazione del diffusore può affrontare la separazione del flusso sotto un forte gradiente di pressione avversa; Il flusso d'aria passa attraverso un dispositivo di turbinio a più stadi per formare una struttura di vortice su larga scala, che da un lato promuove l'atomizzazione e l'evaporazione del combustibile liquido e forma una miscela fortemente pulsante e instabile con il carburante, e dall'altro genera una fiamma stazionaria nella zona aerodinamica; I più getti del foro principale/foro di miscelazione interagiscono con il flusso laterale nel tubo di fiamma per formare una coppia di vortice controprotatrice, che ha un'influenza importante sulla miscelazione turbolenta. Sulla base del flusso, sono fortemente accoppiati processi fisici e chimici multi-scala come atomizzazione ed evaporazione, miscelazione, reazione chimica e interazione tra turbolenza e fiamma, che determinano congiuntamente le caratteristiche aerodinamiche della camera di combustione. La modellizzazione e il calcolo ad alta precisione di questi processi fisici e chimici sono sempre stati un argomento di ricerca a casa e all'estero.
I processi di atomizzazione, evaporazione, miscelazione e combustione nella camera di combustione si sviluppano ed evolvono in un ambiente di flusso turbolento, quindi il flusso è la base per la simulazione delle prestazioni aerodinamiche della camera di combustione. La caratteristica di base della turbolenza è che i parametri di flusso mostrano una pulsazione casuale dovuta al processo di convezione non lineare. La turbolenza contiene molte strutture di vortice. Le campate di diversi vortici in lunghezza e scale temporali sono enormi e all'aumentare del numero di Reynolds, le campate tra scale aumentano bruscamente. Secondo la proporzione di strutture turbolente di vortice che sono direttamente risolte, i metodi di simulazione della turbolenza sono divisi in simulazione numerica diretta (DNS), Metodi di simulazione di turbolenza a bordo della turbolenza mediano a remoto di Reynolds. Il metodo RANS, ampiamente utilizzato nell'ingegneria, risolve il campo medio turbolento e utilizza un modello per simulare tutte le informazioni turbolente di pulsazione. L'importo del calcolo è piccolo, ma l'accuratezza è scarsa. Per forti processi di flusso di turbinio e instabili nella camera di combustione, RANS non può soddisfare i requisiti del design raffinato. Pitsch ha sottolineato che la complessità computazionale di LES è tra RANS e DNS ed è attualmente utilizzata per calcoli turbolenti di combustione in spazi senza restrizioni con numeri di Reynolds medi e bassi. A causa della piccola scala della turbolenza nell'area vicina della camera di combustione e l'alto numero di Reynolds del flusso, la quantità di griglie richiesta per il calcolo LES di una sola testa della sola camera di combustione è in centinaia di milioni a miliardi. Tale elevato consumo di risorse computazionali limita l'uso diffuso di LES nelle simulazioni della camera di combustione.
L'istituzione di modelli e metodi di calcolo ad alta precisione basati sulla simulazione dei vortici molto grandi (VLES) e i framework ibridi RANS-LES sono una tendenza importante nella simulazione numerica. Il metodo VLES sviluppato da Han et al. Risolve il problema della bassa efficienza computazionale causata dal filtraggio della scala della griglia e dalla risoluzione delle restrizioni di corrispondenza della scala di turbolenza nel LES tradizionale e realizza la modellizzazione dell'accoppiamento tra caratteristiche multi-scala di turbolenza, caratteristiche di evoluzione transitoria e risoluzione della griglia. , VLES regola in modo adattivo il rapporto tra soluzione di turbolenza e modellazione del modello in base alle caratteristiche in tempo reale dell'evoluzione della struttura del vortice, riducendo significativamente i costi computazionali garantendo al contempo l'accuratezza del calcolo.
Tuttavia, rispetto al LES tradizionale, la teoria e le caratteristiche dei VLE non sono state ampiamente studiate e utilizzate. Questo documento introduce sistematicamente la teoria della modellazione dei VLE e i suoi effetti di applicazione in vari scenari fisici legati alle camere di combustione, promuovendo l'applicazione su larga scala di VLE nel campo della simulazione della camera di combustione del motore aeronautico.
Ampio metodo di simulazione parassita
L'influenza dei metodi di simulazione della turbolenza sul consumo e sui modelli di calcolo delle risorse è mostrata nella Figura 1. I metodi RANS, LES e VLES ottengono tutti la simulazione del flusso attraverso la modellazione di turbolenza. Va notato che la prima definizione chiara di VLE è stata data da Papa, che si riferisce a "la scala della griglia computazionale è troppo grossolana in modo che l'energia cinetica turbolenta direttamente risolta sia inferiore all'80% dell'energia cinetica turbolenta totale". Allo stesso tempo, il significato di LES dato da papa [6] è "la griglia computazionale è molto fine in modo che l'energia cinetica turbolenta risolta direttamente sia maggiore dell'80% dell'energia cinetica turbolenta totale". Tuttavia, va notato che i VLE introdotti in questo articolo sono un nuovo metodo computazionale che è stato rimodellato e sviluppato sulla base del metodo precedente. Sebbene i nomi siano uguali, il nuovo metodo VLES è essenzialmente diverso dal metodo VLES definito da Papa. Come si può vedere dalla figura, le tradizionali modalità di turbolenza sono RANS, Urans, ibridi RANS/LES, LES e DNS in ordine di precisione di calcolo. Nell'ambito del nuovo framework modello, le modalità di turbolenza sono divise in RANS, VLES e DNS in ordine di accuratezza del calcolo. Cioè, il metodo VLES realizza l'unificazione di più modalità di turbolenza tradizionale e diversi modelli di transizione e convertiti in modo uniforme in base alle caratteristiche locali nei calcoli effettivi.
Simulazione di processi fisici tipici nella camera di combustione
Simulazione del vortice molto grande di un forte flusso vorticoso
La camera di combustione di un motore dell'aeromobile di solito adotta forme di organizzazione del campo di flusso come turbinio a più stadi e turbinio forte. Il flusso di turbinio è la forma di flusso più elementare nella camera di combustione. Poiché il turbinio è dominante sia nella direzione del flusso che nella direzione tangenziale, la pulsazione turbolenta di Swirl ha un'anisotropia più forte del tradizionale flusso del tubo, flusso del canale e flusso del getto. Pertanto, la simulazione numerica di Swirl rappresenta una grande sfida al metodo di simulazione della turbolenza. Xia et al. ha usato il metodo VLES per calcolare il classico esempio di flusso di vortice forte nel tubo; Dellenback et al. [14] hanno condotto esperimenti sul campo di flusso su questo esempio e hanno dati sperimentali dettagliati. Il numero di Reynolds Flow dell'esempio calcolato è 1. 0 × 105 (in base al diametro del tubo circolare) e il numero di turbinio è 1,23. Nel calcolo vengono utilizzati due set di griglie strutturate. Il numero totale di griglie sparse (M1) è di circa 900, 000 e il numero totale di griglie crittografate (M2) è di circa 5,1 milioni. I risultati del momento statistico ottenuti dal calcolo sono ulteriormente confrontati con i risultati sperimentali per verificare l'accuratezza del calcolo del metodo VLES.
Il confronto dei risultati di calcolo di diversi metodi e i risultati sperimentali della distribuzione radiale della velocità media circonferenziale e la velocità pulsante in diverse posizioni a valle sotto un forte flusso vorticoso è mostrato nella Figura 4. Nella figura, le coordinate orizzontali e verticali sono le coordinate di interni velocità. Come si può vedere dalla figura, il campo di flusso mostra un tipico vortice composto simile a Rankin che passa gradualmente a un singolo vortice corporeo rigido. Confrontando il calcolo e i risultati sperimentali, si può scoprire che il metodo VLES ha un'elevata precisione di calcolo per la previsione della velocità circonferenziale di un forte flusso vorticoso, che è in buon accordo con la distribuzione delle misurazioni sperimentali. Il metodo RANS tradizionale ha una deviazione molto ampia nel calcolo del flusso di turbinio e non può prevedere correttamente l'evoluzione spaziale del campo di flusso del turbinio e delle pulsazioni turbolenti. In confronto, il metodo VLES ha una precisione molto elevata nella previsione del campo di velocità medio, sul campo di velocità pulsante e l'evoluzione spaziale sotto un flusso di vortice forte complesso e può comunque garantire un'elevata precisione di calcolo anche con una risoluzione della griglia relativamente scarsa. Per la previsione della velocità media circonferenziale, i risultati di calcolo del metodo VLES sono sostanzialmente coerenti in due serie di risoluzioni di griglia sparse e dense.
Grande simulazione di Eddy della combustione turbolenta
Al fine di studiare la fattibilità del metodo VLES nella previsione dei problemi di combustione turbolenta [15-16], è stato sviluppato un modello turbolento di combustione basato sul metodo VLES accoppiato al collettore generato da fiamele (FGM). L'idea di base è supporre che la fiamma turbolenta abbia una struttura di fiamma laminari unidimensionale localmente e la superficie turbolenta della fiamma è la media dell'ensemble di una serie di superfici di fiamma laminare. Pertanto, lo spazio dei componenti ad alta dimensione può essere mappato su un modello di flusso a bassa dimensione composto da diverse variabili caratteristiche (frazione di miscela, variabile di progresso della reazione, ecc.). Sotto la condizione di considerare il meccanismo di reazione dettagliato, il numero di equazioni di trasporto da risolvere è notevolmente ridotto, riducendo così significativamente il costo computazionale.
Il processo di implementazione specifico è quello di costruire la tabella di dati laminari laminari FGM in base alla frazione di miscela e alle variabili di avanzamento di reazione, considerare l'interazione tra la combustione turbolenta assumendo il metodo della funzione di densità di probabilità per integrare la tabella dei dati laminari e quindi ottenere la tabella di dati turbolenta. Nel calcolo numerico, le equazioni di trasporto della frazione di miscela, le variabili di avanzamento della reazione e la varianza corrispondente vengono risolte e le informazioni sul campo di combustione vengono ottenute interrogando la tabella di dati turbolenta.
Il modello turbolento di combustione basato su VLE e MGM è stato utilizzato per eseguire calcoli numerici sul getto turbolento di metano/aria (fiamma D) misurata dal laboratorio di Sandia negli Stati Uniti e sono stati effettuati confronti quantitativi con i dati di misurazione sperimentale. Il materiale del carburante dell'esempio di fiamma di Sandia (il numero di Reynolds è 22400) è una miscela completa di metano e aria con un rapporto di volume di 1: 3, la velocità di ingresso del carburante è di circa 49,9 m/s e la velocità di scia è di circa 11,4 m/s. La fiamma di servizio è una miscela di metano e aria bruciati e il materiale di scia è aria pura. Il calcolo utilizza una griglia strutturata e il numero totale di griglie è di circa 1,9 milioni.
La distribuzione della frazione di massa media di diversi componenti lungo l'asse è mostrata nella Figura 5. Le coordinate orizzontali e verticali nella figura sono la distanza senza dimensioni (D2 è il diametro del tubo del getto di ingresso) e la frazione di massa senza dimensioni, rispettivamente. Dalla figura si può vedere che la previsione dei componenti principali del processo di combustione con il metodo VLES è generalmente in buon accordo con i risultati sperimentali. La distribuzione sparsa della temperatura in diverse posizioni a valle nello spazio della frazione di miscela è mostrata nella Figura 6. Si può vedere dalla figura che la tendenza di distribuzione sparsa prevista dal metodo VLES è sostanzialmente coerente con i risultati sperimentali e solo il valore estremo della temperatura calcolato è leggermente superiore al valore sperimentale. La distribuzione della funzione di controllo di vorticità, temperatura e risoluzione istantanea calcolata dai VLE è mostrata nella Figura 7, in cui la linea continua è presa come ZST =0. 351. Dalla figura si può vedere che l'area del getto centrale presenta una forte pulsazione turbolenta e, man mano che il campo di flusso si sviluppa a valle, la scala della struttura del vortice aumenta gradualmente. Come si può vedere dalla Figura 7 (b) e (c), nella maggior parte delle aree di reazione chimica, la funzione di controllo della risoluzione è tra 0 e 1, indicando che la risoluzione della griglia locale può catturare turbolenza su larga scala e simulare solo la turbolenza su piccola scala attraverso il modello. In questo momento, i VLE si comportano come una modalità di soluzione di simulazione elevatore di grandi dimensioni approssimativa. Nello strato di taglio a getto e nel bordo esterno della fiamma a valle, la funzione di controllo della risoluzione è vicina a 1, indicando che la scala del filtro troncata della griglia computazionale è maggiore della scala di turbolenza locale. In questo momento, i VLE si comporta come una modalità di soluzione medio di Reynolds instabile. In sintesi, si può vedere che il metodo VLES può realizzare la trasformazione di più modalità di soluzione di turbolenza in base alle caratteristiche in tempo reale dell'evoluzione della struttura del vortice e può prevedere accuratamente il processo di combustione instabile nelle fiamme turbolente.
Grande simulazione elevatore del processo di atomizzazione completa
La maggior parte del combustibile utilizzato nella camera di combustione di un motore aeronautico è il combustibile liquido. Il carburante liquido entra nella camera di combustione e subisce atomizzazione primaria e processi di atomizzazione secondaria. Esistono molte difficoltà nel simulare il processo di atomizzazione completo del combustibile liquido, inclusa la cattura della configurazione dell'interfaccia topologica a due fasi a gas-liquido, la deformazione e la rottura della colonna liquida, l'evoluzione della rottura di bande liquide e i filamenti liquidi in gocce e l'interazione tra flusso turbolento e goccioline. Huang Ziwei [19] ha sviluppato un modello di simulazione del processo di atomizzazione completo basato sul metodo VLES accoppiato al metodo di calcolo dell'atomizzazione ibrida VOFDPM, realizzando la simulazione numerica a pieno processo di atomizzazione del carburante dal liquido continuo a goccioline discrete.
Un modello di simulazione del processo di atomizzazione di recente sviluppo è stato utilizzato per eseguire calcoli numerici ad alta precisione del classico processo di atomizzazione della colonna liquida a flusso laterale e un confronto dettagliato con i risultati sperimentali nella letteratura aperta [2 0] e i grandi risultati del calcolo della simulazione dei vortici [21]. Nell'esempio di calcolo, la fase gassosa è aria con velocità di 77,89 e 110,0 m/s, rispettivamente, e la fase liquida è acqua liquida con una velocità di 8,6 m/s. I numeri Weber corrispondenti sono rispettivamente 100 e 200. Al fine di simulare meglio il processo di rottura secondaria, il modello di rottura adotta il modello Kelvin-Helmholtz e Rayleigh-Taylor (KHRT).
Il processo di atomizzazione completo previsto dai VLE sotto la condizione di Weber Number 100 è mostrato nella Figura 8. Come si può vedere dalla figura, si forma un sottile foglio di colonna liquido nell'area iniziale, quindi la colonna liquida si rompe in bande liquide e filamenti liquidi e rotture in goccioline sotto l'azione della forza aerodinamica e le goccioline sono ulteriormente interrotte in goccioline più piccole attraverso la pausa secondaria. La velocità del flusso e la distribuzione della vorticità spanwise calcolate dai VLE sotto la condizione Weber Number 100 sono mostrate nella Figura 9. Come si può vedere dalla figura, esiste una tipica zona di ricircolo a bassa velocità sul lato sottovento della colonna del liquido. Dalla distribuzione istantanea di vorticità si può trovare che il lato sottovento della colonna liquida mostra una forte struttura di vortice e il forte movimento turbolento nella zona di ricircolo a bassa velocità contribuisce alla rottura del foglio di colonna liquido e alla formazione di goccioline.
Il rapporto tra diametro del getto iniziale e dimensione di flusso minimo del getto liquido quando la colonna del liquido inizia a rompersi con diversi numeri di Weber è mostrato nella Figura 10. Nella figura, DI è la dimensione di flusso minima del getto liquido quando la colonna del liquido inizia a rompersi e D3 è il diametro del getto liquido iniziale. Dalla figura si può vedere che i risultati del calcolo dei VLE sono in buon accordo con i risultati sperimentali, che sono migliori dei risultati di calcolo della simulazione di grandi dimensioni nella letteratura [21].
Instabilità della combustione Simulazione di Eddy molto grande
Al fine di soddisfare i requisiti delle basse emissioni, le camere di combustione di aeromobili civili sono generalmente progettate con combustione snella premiscelata o parzialmente premiscelata. Tuttavia, la combustione premiscelata Lean ha una scarsa stabilità ed è soggetta a eccitare le modalità di combustione dell'oscillazione accoppiate termoacustiche, portando all'instabilità della combustione. L'instabilità della combustione è altamente distruttiva e può essere accompagnata da problemi come il flashback e la solida deformazione, che è un problema di spicco affrontato dalla progettazione della camera di combustione.
Il calcolo numerico dell'instabilità della combustione può essere diviso in due categorie: metodo di disaccoppiamento e metodo di accoppiamento diretto. Il metodo di previsione dell'instabilità della combustione disaccoppiata disaccoppia la combustione instabile e le soluzioni acustiche. La combustione instabile richiede un gran numero di campioni di calcolo numerico per creare una funzione di descrizione di fiamma affidabile. Se viene utilizzato il grande metodo di calcolo della simulazione parassita, il consumo di risorse di elaborazione è troppo grande. Il metodo di calcolo dell'accoppiamento diretto si basa sul metodo della soluzione comprimibile e ottiene direttamente il risultato dell'instabilità della combustione attraverso un calcolo instabile ad alta precisione, ovvero il processo di calcolo dell'accoppiamento di combustione instabile e acustica in determinate condizioni di lavoro è completato in una volta all'interno dello stesso framework di calcolo.
Nello studio della simulazione numerica del disaccoppiamento dell'instabilità della combustione, Huang et al. [27] ha sviluppato un modello di calcolo dell'instabilità della combustione basato sul metodo VLES accoppiato al metodo di calcolo della fiamma ispessimi e ha ottenuto una previsione accurata del processo di combustione instabile sotto l'eccitazione acustica. L'esempio di calcolo è un etitilene stazionario/aria con un corpo smustato completamente etile sviluppato dall'Università di Cambridge, con un rapporto di equivalenza di 0. 55 e un numero di Reynolds di circa 17000. Il confronto tra i risultati del calcolo dei Vles e i risultati di eccitazione non sono stati visti, i risultati di calcolo dei VLE, i risultati sperimentali della FLAME, i risultati sperimentali della flama sono stati osservati in figura, i risultati di calcolo della flome sono stati visti, i risultati di eccitazione intagliati, i risultati sperimentali della FLAME sono stati visti in figura. Si gira sugli strati di taglio interni ed esterni e si evolve in una coppia di vortice controprotatrice. In questo processo, l'evoluzione del profilo di fiamma a forma di funghi continua a svilupparsi con il cambiamento dell'angolo di fase. I risultati del calcolo dei VLES riproducono bene le caratteristiche di evoluzione della fiamma osservate nell'esperimento. Il confronto tra l'ampiezza e la differenza di fase della risposta della velocità di rilascio del calore sotto l'eccitazione acustica a 160 Hz ottenuta con diversi metodi di calcolo e misurazioni sperimentali è mostrato nella Figura 13. Nella figura, Q 'e Q͂ sono il rilascio di calore pulsante e il rilascio di calore medio della combustione, rispettivamente di release di trasmissione, a un rilascio di transizione, a un rilascio di transizione, rispettivamente di trasmissione di transizione, a un rilascio di transizione, a un rilascio di transizione, a un rilascio di transizione, a un rilascio di transizione, a un rilascio di transazione, a un rilascio di transizione, a un rilascio di transfronta Eccitazione acustica e segnale di eccitazione della velocità di ingresso. Come si può vedere dalla figura, l'accuratezza della previsione del metodo VLES è paragonabile all'accuratezza della simulazione di grandi voti [28] ed entrambi sono in buon accordo con i valori sperimentali. Sebbene il metodo RANS instabile preveda la tendenza della risposta non lineare, i risultati quantitativi calcolati si discostano notevolmente dai valori sperimentali. Per i risultati della differenza di fase (Figura 13 (b)), la tendenza della differenza di fase prevista dal metodo VLES con l'ampiezza del disturbo è sostanzialmente coerente con i risultati sperimentali, mentre i grandi risultati della simulazione di Eddy non prevedono bene la tendenza di cui sopra.
