Kemajuan penyelidikan mengenai prestasi aerodinamik ruang pembakaran enjin pesawat berdasarkan simulasi eddy besar
Ruang pembakaran adalah salah satu komponen teras enjin pesawat, dan prestasi aerodinamik ruang pembakaran memainkan peranan penting dalam prestasi keseluruhan enjin. Untuk memenuhi keperluan teknikal yang semakin ketat enjin untuk ruang pembakaran, mod organisasi pembakaran dan ciri -ciri aliran di dalam ruang pembakaran telah menjadi sangat kompleks. Proses penurunan dan penekanan penyebar mungkin menghadapi pemisahan aliran di bawah kecerunan tekanan buruk yang kuat; Aliran udara melepasi peranti pusaran pelbagai peringkat untuk membentuk struktur vorteks berskala besar, yang di satu tangan menggalakkan pengabosan dan penyejatan bahan bakar cecair dan membentuk campuran yang kuat, tidak stabil dengan bahan bakar, dan sebaliknya menghasilkan api pegun di zon peredaran aerodinamik; Pelbagai jet pembakaran utama/lubang pencampuran berinteraksi dengan aliran sisi dalam tiub api untuk membentuk pasangan vorteks berputar-putar, yang mempunyai pengaruh penting terhadap pencampuran bergelora. Berdasarkan aliran, proses fizikal dan kimia pelbagai skala seperti atomisasi dan penyejatan, pencampuran, tindak balas kimia, dan interaksi antara pergolakan dan api sangat digabungkan, yang bersama-sama menentukan ciri-ciri aerodinamik ruang pembakaran. Pemodelan ketepatan tinggi dan pengiraan proses fizikal dan kimia ini selalu menjadi topik penyelidikan hangat di rumah dan di luar negara.
Proses atomisasi, penyejatan, pencampuran dan pembakaran dalam ruang pembakaran berkembang dan berkembang dalam persekitaran aliran bergelora, jadi aliran adalah asas untuk simulasi prestasi aerodinamik ruang pembakaran. Ciri asas pergolakan adalah bahawa parameter aliran menunjukkan denyutan rawak disebabkan oleh proses perolakan tak linear. Turbulensi mengandungi banyak struktur vorteks. Rentang vorteks yang berlainan panjang dan skala masa adalah besar, dan apabila bilangan Reynolds meningkat, rentang antara skala meningkat dengan ketara. Menurut perkadaran struktur vorteks bergelora yang diselesaikan secara langsung, kaedah simulasi turbulensi dibahagikan kepada simulasi berangka langsung (DNS), Reynolds-purata Navier-Stokes (RANS), simulasi eddy besar (LES) dan kaedah simulasi pergolakan bercampur. Kaedah RANS, yang digunakan secara meluas dalam kejuruteraan, menyelesaikan medan min yang bergelora dan menggunakan model untuk mensimulasikan semua maklumat denyutan bergelora. Jumlah pengiraan adalah kecil, tetapi ketepatannya kurang baik. Untuk proses aliran yang kuat dan tidak stabil di ruang pembakaran, RANS tidak dapat memenuhi keperluan reka bentuk halus. Pitsch menegaskan bahawa kerumitan komputasi LES adalah antara RANS dan DNS, dan kini digunakan untuk pengiraan pembakaran bergelora di ruang tanpa had dengan nombor Reynolds sederhana dan rendah. Oleh kerana skala kecil pergolakan di kawasan berhampiran dinding ruang pembakaran dan bilangan Reynolds yang tinggi aliran, jumlah grid yang diperlukan untuk pengiraan LES satu kepala ruang pembakaran sahaja adalah ratusan juta hingga berbilion. Penggunaan sumber pengkomputeran yang tinggi mengehadkan penggunaan LES dalam simulasi kebuk pembakaran.
Penubuhan model dan kaedah pengiraan ketepatan tinggi berdasarkan simulasi eddy yang sangat besar (VLES) dan kerangka kaedah RANS-LES hibrid adalah trend penting dalam simulasi berangka. Kaedah VLES yang dibangunkan oleh Han et al. menyelesaikan masalah kecekapan pengiraan yang rendah yang disebabkan oleh penapisan skala grid dan menyelesaikan skala turbulensi yang sepadan dengan LES tradisional, dan menyedari pemodelan gandingan antara ciri-ciri pelbagai skala turbulensi, ciri-ciri evolusi sementara, dan resolusi grid. , VLES menyesuaikan diri dengan nisbah antara penyelesaian pergolakan dan pemodelan model berdasarkan ciri-ciri masa nyata evolusi struktur vorteks, dengan ketara mengurangkan kos pengiraan sambil memastikan ketepatan pengiraan.
Walau bagaimanapun, berbanding dengan LES tradisional, teori dan ciri -ciri VLES tidak dipelajari secara meluas dan digunakan. Makalah ini secara sistematik memperkenalkan teori pemodelan VLES dan kesan aplikasinya dalam pelbagai senario fizikal yang berkaitan dengan ruang pembakaran, mempromosikan aplikasi besar-besaran VLES dalam bidang simulasi ruang pembakaran enjin pesawat.
Kaedah simulasi eddy besar
Pengaruh kaedah simulasi turbulensi pada penggunaan sumber dan model pengkomputeran ditunjukkan dalam Rajah 1. Harus diingat bahawa definisi VLE yang paling awal diberikan oleh Paus, yang merujuk kepada "skala grid pengkomputeran terlalu kasar sehingga tenaga kinetik bergolak secara langsung diselesaikan adalah kurang dari 80% dari jumlah tenaga kinetik bergelora". Pada masa yang sama, makna LES yang diberikan oleh Paus [6] adalah "grid pengkomputeran adalah sangat halus supaya tenaga kinetik bergelora diselesaikan secara langsung adalah lebih besar daripada 80% daripada jumlah tenaga kinetik bergelora". Walau bagaimanapun, perlu diperhatikan bahawa VLES yang diperkenalkan dalam artikel ini adalah kaedah pengiraan baru yang telah diubahsuai dan dibangunkan berdasarkan kaedah sebelumnya. Walaupun nama -nama itu sama, kaedah VLES baru pada dasarnya berbeza daripada kaedah VLES yang ditakrifkan oleh Paus. Seperti yang dapat dilihat dari angka, mod pergolakan tradisional adalah RANS, URAN, RANS/LES, LES, dan DNS mengikut ketepatan pengiraan. Di bawah rangka kerja model baru, mod pergolakan dibahagikan kepada RANS, VLES, dan DNS mengikut ketepatan pengiraan. Iaitu, kaedah VLES menyedari penyatuan pelbagai mod pergolakan tradisional, dan model yang berbeza menyesuaikan peralihan dan menukar lancar mengikut ciri -ciri tempatan dalam pengiraan sebenar.
Simulasi proses fizikal biasa dalam ruang pembakaran
Simulasi eddy yang sangat besar aliran berputar yang kuat
Ruang pembakaran enjin pesawat biasanya mengamalkan bentuk organisasi medan aliran seperti pusaran pelbagai peringkat dan pusaran kuat. Aliran pusaran adalah bentuk aliran yang paling asas dalam ruang pembakaran. Oleh kerana pusaran dominan di kedua -dua arah aliran dan arah tangen, denyutan bergelora pusaran mempunyai anisotropi yang lebih kuat daripada aliran paip tradisional, aliran saluran dan aliran jet. Oleh itu, simulasi berangka Swirl menimbulkan cabaran besar kepada kaedah simulasi pergolakan. Xia et al. menggunakan kaedah VLES untuk mengira contoh aliran pusaran kuat klasik di dalam tiub; Dellenback et al. [14] menjalankan eksperimen medan aliran pada contoh ini dan mempunyai data eksperimen terperinci. Bilangan aliran Reynolds contoh yang dikira ialah 1. 0 × 105 (berdasarkan diameter tiub bulat) dan nombor pusaran adalah 1.23. Dua set grid berstruktur digunakan dalam pengiraan. Jumlah grid jarang (M1) adalah kira -kira 900, 000 dan jumlah bilangan grid yang disulitkan (M2) adalah kira -kira 5.1 juta. Hasil momen statistik yang diperolehi oleh pengiraan lebih jauh dibandingkan dengan hasil eksperimen untuk mengesahkan ketepatan pengiraan kaedah VLES.
Perbandingan hasil pengiraan kaedah yang berlainan dan hasil eksperimen pengedaran radial halaju purata lingkaran dan halaju berdenyut pada kedudukan hiliran yang berbeza di bawah aliran berputar yang kuat ditunjukkan dalam Rajah 4. halaju. Seperti yang dapat dilihat dari angka, medan aliran menunjukkan vorteks kompaun seperti Rankin yang tipikal beransur-ansur beralih ke vorteks badan yang tegar. Membandingkan pengiraan dan hasil eksperimen, dapat dijumpai bahawa kaedah VLES mempunyai ketepatan pengiraan yang tinggi untuk ramalan halaju lingkaran aliran berputar yang kuat, yang dalam persetujuan yang baik dengan pengagihan pengukuran eksperimen. Kaedah RANS tradisional mempunyai sisihan yang sangat besar dalam pengiraan aliran pusaran dan tidak dapat meramalkan evolusi spatial medan aliran pusaran dan denyutan bergelora. Sebagai perbandingan, kaedah VLES mempunyai ketepatan yang sangat tinggi dalam ramalan medan halaju purata, medan halaju berdenyut dan evolusi ruang di bawah aliran berputar yang kuat, dan masih dapat menjamin ketepatan pengiraan yang tinggi walaupun pada resolusi grid yang agak jarang. Untuk ramalan halaju purata circumferential, hasil pengiraan kaedah VLES pada dasarnya konsisten pada dua set resolusi grid jarang dan padat.
Simulasi eddy besar pembakaran bergelora
Untuk mengkaji kemungkinan kaedah VLES dalam meramalkan masalah pembakaran bergelora [15-16], model pembakaran bergelora berdasarkan kaedah VLES ditambah dengan flamelet yang dihasilkan manifolds (FGM) telah dibangunkan. Idea asas adalah untuk mengandaikan bahawa api bergelora mempunyai struktur api laminar satu dimensi di dalam negara, dan permukaan api bergelora adalah purata ensemble dari siri permukaan api laminar. Oleh itu, ruang komponen dimensi tinggi boleh dipetakan ke corak aliran dimensi rendah yang terdiri daripada beberapa pembolehubah ciri (pecahan campuran, pemboleh ubah kemajuan tindak balas, dan lain-lain). Di bawah keadaan mempertimbangkan mekanisme tindak balas terperinci, bilangan persamaan pengangkutan yang akan diselesaikan sangat dikurangkan, dengan itu mengurangkan kos pengiraan dengan ketara.
Proses pelaksanaan khusus adalah untuk membina jadual data laminar FGM berdasarkan pecahan campuran dan pembolehubah kemajuan reaksi, pertimbangkan interaksi antara pembakaran turbulen dengan mengandaikan kaedah fungsi ketumpatan kebarangkalian untuk mengintegrasikan jadual data laminar, dan dengan itu mendapatkan jadual data bergelora. Dalam pengiraan berangka, persamaan pengangkutan pecahan campuran, pembolehubah kemajuan reaksi dan varians yang sepadan diselesaikan, dan maklumat medan pembakaran diperolehi dengan menanyakan jadual data bergelora.
Model pembakaran bergelora berdasarkan VLES dan FGM digunakan untuk menjalankan pengiraan berangka pada api jet metana/udara turbulen (api D) yang diukur oleh makmal Sandia di Amerika Syarikat, dan perbandingan kuantitatif dibuat dengan data pengukuran eksperimen. Bahan bahan bakar contoh Sandia Flame D (nombor Reynolds adalah 22400) adalah campuran lengkap metana dan udara dengan nisbah isipadu 1: 3, halaju masuk bahan api adalah kira -kira 49.9 m/s, dan halaju bangun kira -kira 11.4 m/s. Api tugas adalah campuran metana dan udara yang dibakar, dan bahan bangun adalah udara tulen. Pengiraan menggunakan grid berstruktur, dan jumlah grid adalah kira -kira 1.9 juta.
Pengagihan pecahan jisim purata komponen yang berlainan di sepanjang paksi ditunjukkan dalam Rajah 5. Koordinat mendatar dan menegak dalam angka adalah jarak tanpa dimensi (D2 adalah diameter tiub jet masuk) dan pecahan massa tanpa dimensi. Ia dapat dilihat dari angka bahawa ramalan komponen utama proses pembakaran oleh kaedah VLES biasanya dalam persetujuan yang baik dengan hasil eksperimen. Pengagihan suhu yang bertaburan pada kedudukan hiliran yang berlainan dalam ruang pecahan campuran ditunjukkan dalam Rajah 6. Ia dapat dilihat dari angka bahawa trend pengedaran bertaburan yang diramalkan oleh kaedah VLES pada dasarnya konsisten dengan hasil eksperimen, dan hanya nilai ekstrem suhu yang dikira sedikit lebih tinggi daripada nilai eksperimen. Pengagihan fungsi kawalan vortik, suhu dan resolusi segera yang dikira oleh VLES ditunjukkan dalam Rajah 7, di mana garis pepejal diambil sebagai ZST =0. 351. Ia dapat dilihat dari angka bahawa kawasan jet teras mempamerkan denyutan bergelora yang kuat, dan ketika medan aliran berkembang di hilir, skala struktur vorteks secara beransur -ansur meningkat. Seperti yang dapat dilihat dari Rajah 7 (b) dan (c), dalam kebanyakan kawasan tindak balas kimia, fungsi kawalan resolusi adalah antara 0 dan 1, menunjukkan bahawa resolusi grid tempatan dapat menangkap pergolakan berskala besar dan hanya mensimulasikan pergolakan kecil melalui model. Pada masa ini, VLES berkelakuan sebagai mod penyelesaian simulasi eddy yang besar. Dalam lapisan ricih jet dan pinggir luar api hiliran, fungsi kawalan resolusi hampir 1, menunjukkan bahawa skala penapis yang dipenggal dari grid pengiraan lebih besar daripada skala pergolakan tempatan. Pada masa ini, VLES berkelakuan sebagai mod penyelesaian purata Reynolds yang tidak stabil. Ringkasnya, dapat dilihat bahawa kaedah VLES dapat merealisasikan transformasi mod penyelesaian berganda berganda mengikut ciri-ciri masa nyata evolusi struktur vorteks, dan dapat meramalkan proses pembakaran yang tidak stabil dalam api bergelora.
Simulasi eddy besar proses atomisasi lengkap
Kebanyakan bahan api yang digunakan dalam ruang pembakaran enjin pesawat adalah bahan api cecair. Bahan api cecair memasuki ruang pembakaran dan menjalani pengabusan utama dan proses atomisasi sekunder. Terdapat banyak kesukaran dalam mensimulasikan proses pengabosan bahan bakar cecair lengkap, termasuk penangkapan konfigurasi antara muka topologi dua fasa gas-cecair, ubah bentuk lajur cecair dan pecah, evolusi pemisahan jalur cecair dan filamen cecair ke dalam titisan, dan interaksi antara aliran turbulen dan titisan. Huang Ziwei [19] membangunkan model simulasi proses pengabosan lengkap berdasarkan kaedah VLES ditambah dengan kaedah pengiraan atomisasi hibrid VOFDPM, merealisasikan simulasi numerik proses penuh dari atomisasi bahan api dari cecair berterusan ke titisan diskret.
Model simulasi proses atomisasi yang baru dibangunkan digunakan untuk menjalankan pengiraan numerik ketepatan tinggi proses pengabosan lajur cecair aliran lateral klasik, dan perbandingan terperinci dibuat dengan hasil eksperimen dalam kesusasteraan terbuka [2 0] dan hasil pengiraan simulasi eddy besar [21]. Dalam contoh pengiraan, fasa gas adalah udara dengan halaju 77.89 dan 110.0 m/s, dan fasa cecair adalah air cair dengan halaju 8.6 m/s. Nombor Weber yang sepadan masing -masing adalah 100 dan 200. Untuk mensimulasikan proses pemisahan sekunder, model perpecahan mengamalkan model Kelvin-Helmholtz dan Rayleigh-Taylor (KHRT).
Proses atomisasi lengkap yang diramalkan oleh VLES di bawah keadaan nombor 100 Weber ditunjukkan dalam Rajah 8. Halaju aliran dan pengagihan vortikiti spanwise yang dikira oleh VLES di bawah keadaan Weber nombor 100 ditunjukkan dalam Rajah 9. Seperti yang dapat dilihat dari angka, terdapat zon perirkulasi berkelajuan rendah yang tipikal di sisi leeward lajur cecair. Ia boleh didapati dari taburan vortikiti seketika bahawa bahagian leeward lajur cecair mempamerkan struktur vorteks yang kuat, dan gerakan bergelora yang kuat dalam zon peredaran berkelajuan rendah menyumbang kepada pecah lembaran lajur cecair dan pembentukan titisan.
Nisbah diameter jet awal ke dimensi aliran minimum jet cecair apabila lajur cecair mula pecah di bawah bilangan Weber yang berbeza ditunjukkan dalam Rajah 10. Dalam angka, DI adalah dimensi aliran minimum jet cecair apabila lajur cecair mula pecah, dan D3 adalah diameter jet cecair awal. Ia dapat dilihat dari angka bahawa keputusan pengiraan VLES adalah dalam persetujuan yang baik dengan hasil eksperimen, yang lebih baik daripada pengiraan simulasi eddy besar dalam kesusasteraan [21].
Ketidakstabilan pembakaran simulasi eddy yang sangat besar
Untuk memenuhi keperluan pelepasan yang rendah, ruang pembakaran pesawat awam biasanya direka dengan pembakaran Lean Premixed atau sebahagiannya. Walau bagaimanapun, pembakaran premixed Lean mempunyai kestabilan yang lemah dan terdedah untuk merangsang mod pembakaran ayunan thermoacoustic, yang membawa kepada ketidakstabilan pembakaran. Ketidakstabilan pembakaran sangat merosakkan dan boleh disertai dengan masalah seperti kilas balik dan ubah bentuk pepejal, yang merupakan masalah yang menonjol yang dihadapi oleh reka bentuk ruang pembakaran.
Pengiraan numerik ketidakstabilan pembakaran boleh dibahagikan kepada dua kategori: kaedah decoupling dan kaedah gandingan langsung. Kaedah ramalan ketidakstabilan pembakaran pembakaran yang dipadamkan menyusun penyelesaian pembakaran dan akustik yang tidak stabil. Pembakaran yang tidak stabil memerlukan sejumlah besar sampel pengiraan berangka untuk membina fungsi penerangan api yang boleh dipercayai. Jika kaedah pengiraan simulasi eddy besar digunakan, penggunaan sumber pengkomputerannya terlalu besar. Kaedah pengiraan gandingan langsung adalah berdasarkan kaedah penyelesaian yang boleh dimampatkan, dan secara langsung memperoleh hasil ketidakstabilan pembakaran melalui pengiraan yang tidak stabil ketepatan tinggi, iaitu proses pengiraan gandingan pembakaran dan akustik yang tidak stabil di bawah keadaan kerja yang disiapkan pada satu masa dalam rangka kerja pengiraan yang sama.
Dalam kajian simulasi berangka ketidakstabilan pembakaran, Huang et al. [27] membangunkan model pengiraan ketidakstabilan pembakaran berdasarkan kaedah VLES ditambah dengan kaedah pengiraan api penebalan, dan mencapai ramalan yang tepat mengenai proses pembakaran yang tidak stabil di bawah pengujaan akustik. Contoh pengiraan adalah badan etilena/udara yang tumpul yang tumpul sepenuhnya api premixed yang dibangunkan oleh Cambridge University, dengan nisbah kesetaraan 0. Flame menggulung di lapisan ricih dalaman dan luaran dan berkembang menjadi pasangan vorteks yang berputar-putar. Dalam proses ini, evolusi profil api berbentuk cendawan terus berkembang dengan perubahan sudut fasa. Hasil pengiraan VLES juga menghasilkan semula ciri -ciri evolusi api yang diperhatikan dalam eksperimen. Perbandingan perbezaan amplitud dan fasa tindak balas kadar pelepasan haba di bawah pengujaan akustik 160 Hz yang diperolehi oleh kaedah pengiraan yang berlainan dan pengukuran eksperimen ditunjukkan dalam Rajah 13. Pengujaan akustik dan isyarat pengujaan halaju masuk. Seperti yang dapat dilihat dari angka, ketepatan ramalan kaedah VLES adalah setanding dengan ketepatan simulasi eddy besar [28], dan kedua -duanya adalah persetujuan yang baik dengan nilai eksperimen. Walaupun kaedah RANS yang tidak stabil meramalkan trend tindak balas tak linear, hasil kuantitatif yang dikira menyimpang dari nilai eksperimen. Untuk keputusan perbezaan fasa (Rajah 13 (b)), trend perbezaan fasa yang diramalkan oleh kaedah VLES dengan amplitud gangguan pada dasarnya konsisten dengan hasil eksperimen, sementara hasil simulasi eddy besar tidak meramalkan trend di atas dengan baik.
