Napredak istraživanja o aerodinamičnoj obavi komore za sagorevanje zrakoplova na osnovu velike vrtloge
Komora za izgaranje jedna je od jezgrenih komponenti zrakoplovnog motora, a aerodinamičke performanse komore za izgaranje igra vitalnu ulogu u obavljanju cijelog motora. Da bi se zadovoljili stroži tehnički zahtjevi motora za komoru za izgaranje, režim organizacije izgaranja i karakteristike protoka unutar komore za izgaranje postale su vrlo složeni. Proces usporavanja i pritiska difuzora mogu se suočiti sa razdvajanjem protoka pod jakim gradijentom štetnog tlaka; Protok zraka prolazi kroz višestepeni vrtložni uređaj da bi se formirala velika vrtložna struktura, koja u jednoj ruci promovira atomizaciju i isparavanje tečnog goriva i stvara snažno pulsirajuće, nestabilnu smjesu s gorivom, a s druge strane stvara stacionarni plamen u aerodinamičnoj zoni recirkulacije; Višestruki mlaznica glavne rupe za izgaranje / miješanje komuniciraju s bočnim protokom u cijevi plamena kako bi se formirala kontranacionalni vrtložni par, koji ima važan utjecaj na turbulentno miješanje. Na osnovu protoka, višestrukih fizičkih i hemijskih procesa kao što su atomizacija i isparavanje, miješanje, hemijska reakcija i interakcija između turbulencije i plamena, vrlo su spojeni, što zajednički određuju aerodinamičke karakteristike komore za izgaranje. Modeliranje visoko precizno precizno i izračunavanje ovih fizičkih i hemijskih procesa oduvijek su bila vruća tema istraživanja u zemlji i inostranstvu.
Atomizacija, isparavanje, miješanje i izgaranje u komori za izgaranje razvijaju se i razvijaju u turbulentnom okruženju protoka, pa je tok osnova za simulaciju aerodinamičkih performansi komore za izgaranje. Osnovna karakteristika turbulencija je da parametri protoka pokazuju slučajne pulsacije zbog nelinearnog procesa konvekcije. Turbulencija sadrži mnogo vrtložnih struktura. Prostori različitih vrtloga u dužinu i vremenske vage su ogromni, a kako se broj Reynolds povećava, rasponi između vaga se snažno povećavaju. Prema udjelu turbulentnih vrtložnih struktura, metode simulacije turbulencije podijeljene su u izravnu numeričku simulaciju (DNS), reynolds-prosječno navigacijsko-stoke (načelnike), velike metode simulacije i mješovite turbulencije. Način naziva, koji se široko koristi u inženjerstvu, rješava nemirno značenje i koristi model za simulaciju svih burnih pulsovacijskih podataka. Iznos izračuna je mali, ali tačnost je loša. Za snažne vrtložne i nestabilne procese protoka u komori za sagorijevanje, naziva ne mogu ispuniti zahtjeve rafiniranog dizajna. Pitsch je istaknuo da je računska složenost lesa između rana i DNS-a, a trenutno se koristi za burne kalkulacije sagorevanja u neograničenim mjestima sa srednjim i niskim brojevima Reynoldsa. Zbog malog obima turbulencije u skoro zidnoj oblasti komore za izgaranje i visokih reynoldsa broja toka, količina mreža potrebnih za les izračunavanje samohrane glave komore za izgaranje je u stotinama miliona milijardama. Takva visoka kontractionalna potrošnja resursa ograničava široku upotrebu LES-a u simulacijama komore za izgaranje.
Uspostavljanje modela i metoda preciznosti izračuna i metoda zasnovanih na vrlo velikoj eddy simulaciji (VLES) i hibridni rans-les metoda metoda je važan trend numeričke simulacije. VLES metoda koju je razvio Han i sur. rješava problem niske računarske učinkovitosti uzrokovane filtriranjem rešetke i rješavanju razmjera turbulencija podudaranjem ograničenja u tradicionalnim masenjem i realizira modeliranje spojnice između multi-skale turbulencije, prolazne evolucije i rezolucije mreže. , VLES Adaptivno prilagođava omjer između rješenja turbulencije i modeliranja modela na temelju karakteristika u stvarnom vremenu evolucije strukture vrtloga, značajno smanjujući računski troškove, a istovremeno osigurati tačnost izračuna.
Ipak, u usporedbi s tradicionalnim LES, teorija i karakteristike VLS-a nisu široko proučavaju i koriste se. Ovaj rad su sistematski uvodi teoriju modeliranja VLES-a i njegove primjene efekata u različitim fizičkim scenarijima koji se odnose na komore za sagorijevanje, promoviranjem velike primjene VLES-a u polju simulacije komore za izgaranje zrakoplova.
Velika Eddy metoda simulacije
Utjecaj metoda simulacije turbulencija na konstrukciju računarskog resursa i modela prikazana je na slici 1. Rans, LES i VLES Metode Sve postižu simulaciju protoka kroz modeliranje turbulencije. Treba napomenuti da je najranije jasna definicija VLES-a dala je papa, koja se odnosi na "Računarsku reseku koja je previše gruba, tako da je turbulentna kinetička energija izravnana manja od 80% ukupne turbulentne kinetičke energije". Istovremeno, značenje Les dave papom [6] je "Računarska mreža je vrlo novčana kazna kako bi se turbulentna kinetička energija direktno riješenija veća od 80% ukupne turbulentne kinetičke energije". Ipak, treba napomenuti da je VLES predstavljen u ovom članku nova računalna metoda koja je preuređena i razvijena na osnovu prethodne metode. Iako su imena ista, nova VLES metoda su u osnovi različitu od VLES metode definirane papom. Kao što se može vidjeti s cifre, tradicionalni režimi turbulencija su rans, urans, hibridni rans / les, les i DNS redom po cilju preciznosti izračuna. Prema novom okviru modela, režimi turbulencija podijeljeni su u rans, VLES i DNS redoslijedom preciznosti izračuna. To jest, VLES metoda shvaća ujedinjenje više tradicionalnih režima turbulencije, te različiti modeli prilagodljivo tranzicijskim i nesmetano pretvori u skladu s lokalnim karakteristikama u stvarnim proračunima.
Simulacija tipičnih fizičkih procesa u komori za izgaranje
Vrlo velika vrtna simulacija snažnog protoka
Komora za sagorijevanje motora obično usvaja oblike organizacije terenskog teren kao što su višestepeni vrtlog i snažan vrtlog. Swir protok je najosnovniji obrazac protoka u komori za izgaranje. Budući da je vrtlat dominantan i u smjeru protoka i tangencijalnom smjeru, turbulentna pulsacija vrtlog ima jači anisotropiju od tradicionalnog protoka cijevi, protok kanala i protok mlaza. Stoga, numerička simulacija vrtloge predstavlja veliki izazov metodi simulacije turbulencije. Xia i sur. koristila metodu VLES za izračunavanje klasičnog snažnog primera za kočnicu u cevi; Dellenback et al. [14] Izveli su eksperimente polja protoka na ovom primjeru i imaju detaljne eksperimentalne podatke. Protok Reynolds broj izračunatog primjera je 1. 0 × 105 (na osnovu promjera kružne cijevi) i vrtlog je 1,23. U izračunu se koriste dva skupa strukturiranih mreža. Ukupan broj rijetkih mreža (M1) je oko 900, 000, a ukupan broj šifriranih mreža (m2) je oko 5,1 milion. Rezultati statističkog trenutka dobiveni proračunom dodatno su u usporedbi s eksperimentalnim rezultatima za provjeru tačnosti izračuna vrijednosti VLES-a.
Usporedba rezultata izračuna različitih metoda i eksperimentalnih rezultata radijalne raspodjele ciljeve brzine i pulsirajuće brzine pod jakim protokom zavirke prikazane su na slici 4. Kao što se može vidjeti s figure, polje protoka prikazuje tipično rankin-slično složeni vrtlok postepeno prelazi na jedan kruti vrtni vrtlog. Upoređujući izračun i eksperimentalne rezultate, može se utvrditi da metoda VLES ima visoku tačnost izračuna za predviđanje obodne brzine snažnog protoka koji je u dobrom sporazumu s distribucijom eksperimentalnih mjerenja. Tradicionalna metoda za beans ima vrlo veliko odstupanje u proračunu vrtloge i ne može ispravno predvidjeti prostornu evoluciju polja za protok vrtloga i turbulentnog pulsacije. U poređenju, metoda VLES ima vrlo veliku preciznost u predviđanju prosječne polje brzine, pulsirajući polje brzine i prostornu evoluciju pod složenim snažnim protokom za oblikovanje, a još uvijek može jamčiti visoku preciznost izračuna čak i u relativno rijetkoj rezoluciji. Za predviđanje obične prosječne brzine, rezultati izračuna VLES metode u osnovi su u osnovi u skladu sa dva skupa rijetkih rezolucija.
Velika vrtna simulacija turbulentnog sagorevanja
Da bi se proučavala izvodljivost VLES metode u predviđanju turbulentnih problema sa izgaranjem [15-16], razvijen je turbulentni model sagorijevanja zasnovan na metodi VLES-a sa plamenom sa plamenom sa plamenim razvodnicima (FGM). Osnovna ideja je pretpostaviti da je turbulentna plamena lokalno dvodimenzionalna laminarna struktura plamena, a turbulentna površina plamena je prosjek ansambla niza površina laminarne plamene površine. Stoga se visokodimenzionalni komponentni prostor može preslikati na niskodimenzionalni uzorak protoka koji se sastoji od nekoliko karakterističnih varijabli (frakcija smjese, varijabla reakcije itd.). Pod uvjetom razmatranja detaljnog mehanizma reakcije, broj riješenih transportnih jednadžbi u velikoj se smanjenju značajno smanjuje računarske troškove.
Specifični proces implementacije je izgradnja FGM tablice podataka laminara na temelju varijabla napretka i reakcijskog napretka, razmotriti interakciju turbulentnog sagorijevanja pretpostavljajući metodu funkcije gustoće vjerojatnosti za integriranje tablice laminarne podatke i na taj način dobiti turbulentnu tablicu podataka. U numeričkom proračunu riješene su transportne jednadžbe frakcije smjese, varijabli reakcije napretka i odgovarajuća varijanca, a informacije o izgaranju dobivaju se podacima o sagorevanju upitaju se u upitom turbulentne tablice podataka.
Trutni model sagorijevanja zasnovan na VLES i FGM korišten je za obavljanje numeričkih proračuna na metan / zrak turbulentnim mlazom (plamen d) mereno od strane Sandia Laboratorija u Sjedinjenim Državama, a kvantitativne usporedbe izvršeni su sa eksperimentalnim mjernim podacima. Indijsko gorivo Sandia Flame d (Reynolds broj je 22400) je kompletna mješavina metana i zraka sa omjerom glasnoće od 1: 3, brzina ulaza za gorivo iznosi oko 49,9 m / s, a brzina buđenja oko 11,4 m / s. Duty plamen je mješavina izgaranog metana i zraka, a materijal za buđenje je čisti zrak. Izračun koristi strukturiranu mrežu, a ukupan broj rešetki je oko 1,9 miliona.
Distribucija prosječne masovne frakcije različitih komponenti duž osi prikazan je na slici 5. Horizontalne i vertikalne koordinate na slici su dimenzionalna udaljenost (D2 promjer ulaznog mlaznog cijevi) i bez masovne frakcije, respektivno. Može se vidjeti sa cifre da predviđanje glavnih komponenti procesa izgaranja od strane VLES metode općenito u dobrom su dogovoru s eksperimentalnim rezultatima. Raštrkana distribucija temperature na različitim frakcijskim položajima u mešavinom frakcijskom prostoru prikazan je na slici 6.. Može se videti sa limenke raštrkanog raspodjele predviđenog metodom VLES-a u osnovi u skladu sa eksperimentalnim rezultatima, a samo izračunata temperatura ekstremna vrijednost je nešto viša od eksperimentalne vrijednosti. Distribucija trenutne površine, temperaturne i rezolucije Kontrolne funkcije izračunato od VLES-a prikazano je na slici 7, gdje se čvrsta linija uzima kao ZST =0. 351. Može se vidjeti s figure da je osnovna površina mlaznih površina izlaže snažnu turbulentnu pulsiranje, a kako se teren protok razvija nizvodno, razmjera vrtloge strukture postepeno se povećava. Kao što se može vidjeti sa slike 7 (b) i (c), u većini hemijskih reakcija funkcija kontrole rezolucije je između 0 i 1, što ukazuje na to da lokalna rezolucija mreže može snimiti turbulenciju velikih razmjera i samo simulirati simulirati turbulenciju u simulaciji. U ovom trenutku VLES se ponaša kao približna veliku režim simulacijskog rješenja. U snimku za mlaz i vanjski rub nizvodnog plamena, funkcija rezolucije je blizu 1, što ukazuje da je skraćena ljestvica filtra izračunavanja veća od lokalne skale turbulencije. U ovom trenutku VLES se ponaša kao nestabilni režim rješenja u prosjeku Reynolds. Ukratko, vidi se da metoda VLES može realizirati transformaciju režima rješenja za više turbulencije prema karakteristikama u stvarnom vremenu u evoluciji strukture vrtloga i može precizno predvidjeti nestabilni proces izgaranja u turbulentnim plamenom.
Velika eddy simulacija kompletnog procesa atomizacije
Većina goriva koja se koristi u komori za izgaranje aviona je tečna goriva. Tekuće gorivo ulazi u komoru za izgaranje i podvrgava se primarnom atomizacijom i sekundarnim procesima atomizacije. Mnogo je poteškoća u simuliranju potpunog postupka atomizacije tekućeg goriva, uključujući uhvaćenost trofazne topofne sučelje za plinsko tekuće topološko sučelje, deformaciju tečnog stupca i ruptura, razbojnik u kapljicama i interakciju između turbulentnog protoka i kapljica. Huang Ziwei [19] je razvio kompletan model simulacije procesa atomizacije na osnovu metode VLES-a s voljkom metodom izračuna hibridne atomizacije, realizirajući numeričku simulaciju punog procesa od kontinuirane tečnosti za diskretne kapljice.
Novorazvijeni model simulacije procesa atomizacije korišten je za obavljanje visoko preciznih računarskih proračuna tečnog protoka tečnog kolona, a detaljna usporedba izvršena je s eksperimentalnim rezultatima u otvorenoj literaturi [2 0] i rezultatima izračuna simulacije i velikim eddy [21]. U primeru za izračun, faza gasa je vazduh sa brzinama od 77,89 i 110,0 m / s, a tečna faza je tečna voda sa brzinom od 8,6 m / s. Odgovarajući Weber brojevi su 100 i 200, respektivno. Da bi se bolje simulirali u procesu sekundarnog prekida, model razbijanja prihvaća model Kelvin-Helmholtz i Rayleigh-Taylor (KHRT).
Kompletan proces atomizacije predviđao je u stanju Webera broj 100 prikazan je na slici 8. Kao što se vidi s cifre, tanki list tečnog stupca, a zatim se tekući stupac probija u tečne trake, a kapljice pod delovanjem arodinamičke sile, a kapljice se dodatno razbijaju u manje kapljice kroz sekundarni raspad. Brzina struje i raspodjela vrećica izračunava VLES pod Weber brojem 100 uvjet prikazani su na slici 9. Kao što se može vidjeti s cifre, postoji tipična zona recirkulacije s malim brzinama na ličici tečnog stupca. Može se naći iz trenutne distribucije vrtlogije da lepršava strana tečnog stupca pokazuje snažnu strukturu vrtloga, a jak turbulentni prijedlog u zoni recirkulacije niske brzine doprinosi rupturu lista za tekuće stupce i formiranje kapljica.
Omjer početnog promjera mlaza na minimalnu dimenziju protoka mlaznog mlaznja kada se tečni stupac počinje razbiti pod različitim brojevima Weber-a prikazana je na slici 10. Na slici je dimenzija tečnog mlaznog protoka, a D3 je početni promjer mlaznih metara. Može se vidjeti s cifrom da su rezultati izračuna VLES-a u dobrom su dogovoru s eksperimentalnim rezultatima, koji su bolji od velikog izračuna simulacije Eddy Rezultati u literaturi [21].
Nestabilnost izgaranja Vrlo velika vrtna simulacija
Da bi se ispunili zahtjevi za niske emisije, komore za sagorijevanje civilnog zrakoplova obično su dizajnirane s premijem ili djelomično premerenim mršavim sagorijevanjem. Međutim, mršav premikseljeni izgaranje ima lošu stabilnost i sklona je uzbudljivim termoakustičkim režimima izgaranja oscilacije, što dovodi do nestabilnosti izgaranja. Nestabilnost izgaranja vrlo je rastruktivna i može biti popraćena problemima kao što su Flashback i čvrsta deformacija, što je istaknuti problem s kojim se suočio sa dizajnom komore za izgaranje.
Numerički izračun nestabilnosti izgaranja može se podijeliti u dvije kategorije: metoda razdvajanja i izravna metoda spojnice. Defoplanovana mjenja za izgaranje metoda predviđanja dekobori se nejasno izgarava i zvuka izgaranja i zvuka. Nestabilno izgaranje zahtijeva veliki broj numeričkih uzoraka izračuna za izgradnju pouzdanog funkcije opisa plamena. Ako se koristi veliki metod izračuna simulacije EDDDY, potrošnja njegovih računalnih resursa je prevelika. Način izračuna izravnog spojnice zasnovan je na metodi komprimičnog rješenja i izravno dobiva rezultat nestabilnosti izgaranja putem preciznosti nestabilnog izračuna, odnosno spojnog izračuna za izračun nestabilnog izgaranja i akustike u određenim uvjetima rada u istom trenutku u istom okviru.
U studiji brojčane simulacije odvajanja nestabilnosti izgaranja, Huang i sur. [27] Razvijen model izračunavanja nestabilnosti izgaranja zasnovan na METODU VLES-a zajedno sa metodom zadebljanja plamena i postignuta tačno predviđanje procesa nestabilnog izgaranja u akustičkom pobudinju. Primjer izračuna je tupi tjelesni stacionarni etilen / zrak potpuno premikran plamen koji je razvio u CAMBRIDGE University-a, a eksperimentalni rezultati izračunatih karakteristika iz VLES-a u obliku akustičkog pobude u akustičnom pobuđivanju koji se može vidjeti na ulaznom uzbudljivom postupku ulaznog uzbuđenja Unutarnji i vanjski očajni slojevi i razvijaju se u protuteročni vrtložni par. U tom procesu evolucija profila plamena u obliku gljiva i dalje se razvija s promjenom ugao faze. Rezultati izračuna VLES-a dobro reproduciraju karakteristike evolucije plamena promatrane u eksperimentu. Usporedba amplitude i fazne razlike od odgovora stope toplote ispod 160 Hz akustičke pobude i eksperimentalne mjere se prikazuju na slici 13 i Q su pulsirajuće puštanje izgaranja, a je amplituda sinusoidne akustičke pobude, a pravilnik 13 (b) je fazna razlika između prolaznog signala za izdanje topline Sagorijevanje pod akucionim pobudom i ekscitacijom ulaznog brzina. Kao što se može vidjeti s cifre, preciznost predviđanja metode VLES-a uporedivo je s tačnošću velike simulacije Eddy [28], a oba su u dobrom dogovoru sa eksperimentalnim vrijednostima. Iako nestabilna ransova metoda predviđa trend nelinearnog odgovora, izračunati kvantitativni rezultati u velikoj mjeri odstupaju od eksperimentalnih vrijednosti. Za rezultate fazne razlike (Slika 13 (b)), trend razlike u fazi predviđenog metodom VLES-a s poremećajnim amplitudom u osnovi je u skladu sa eksperimentalnim rezultatima, dok veliki rezultati simulacije EDDDY ne predviđaju gornji trend dobro.
