Forskningsfremgang om aerodynamisk ytelse av forbrenningskammer for flymotor basert på stor virvel -simulering
Forbrenningskammeret er en av kjernekomponentene i en flymotor, og den aerodynamiske ytelsen til forbrenningskammeret spiller en viktig rolle i ytelsen til hele motoren. For å oppfylle de stadig strengere tekniske kravene til motoren for forbrenningskammeret, har forbrenningsorganisasjonsmodus og strømningsegenskaper inne i forbrenningskammeret blitt veldig sammensatt. Diffusorens retardasjon og trykking av diffusoren kan møte strømningsseparasjon under en sterk negativ trykkgradient; Luftstrømmen passerer gjennom en flertrinns virvelinnretning for å danne en storstilt virvelstruktur, som på den ene siden fremmer forstappelse og fordamping av flytende drivstoff og danner en sterkt pulserende, ustø blanding med drivstoffet, og på den andre siden genererer en stasjonær flamme i den aerodynamiske resirkulasjonssonen; Flere jetfly av hovedforbrenning/blandingshullet interagerer med sidestrømmen i flammerøret for å danne et motroterende virvelpar, som har en viktig innflytelse på turbulent blanding. På grunnlag av flyt er flerskala fysiske og kjemiske prosesser som forstøvning, blanding, blanding, kjemisk reaksjon og interaksjon mellom turbulens og flamme sterkt koblet, som i fellesskap bestemmer de aerodynamiske egenskapene til forbrenningskammeret. Modellering og beregning av disse fysiske og kjemiske prosessene med høy presisjon har alltid vært et hett tema for forskning hjemme og i utlandet.
Atomiserings-, fordampnings-, blandings- og forbrenningsprosesser i forbrenningskammeret utvikler seg og utvikler seg i et turbulent strømningsmiljø, så flyt er grunnlaget for simuleringen av den aerodynamiske ytelsen til forbrenningskammeret. Det grunnleggende kjennetegn ved turbulens er at strømningsparametrene viser tilfeldig pulsering på grunn av den ikke -lineære konveksjonsprosessen. Turbulens inneholder mange virvelstrukturer. Spennene med forskjellige virvler i lengde og tidsskalaer er enorme, og når Reynolds -tallet øker, øker spennene mellom skalaene kraftig. I henhold til andelen turbulente virvelstrukturer som er direkte løst, er turbulenssimuleringsmetoder delt inn i direkte numerisk simulering (DNS), Reynolds-gjennomsnittet Navier-Stokes (RANS), stor virvel-simulering (LES) og blandede turbulenssimuleringsmetoder. RAN -metoden, som er mye brukt i ingeniørfag, løser det turbulente middelfeltet og bruker en modell for å simulere all turbulent pulseringsinformasjon. Beregningsbeløpet er liten, men nøyaktigheten er dårlig. For sterk virvel og ustabil strømningsprosesser i forbrenningskammeret, kan ikke Rans oppfylle kravene til raffinert design. Pitsch påpekte at beregningskompleksiteten til LES er mellom RANS og DNS, og for tiden brukes til turbulente forbrenningsberegninger i ubegrensede rom med middels og lave Reynolds -tall. På grunn av den lille skalaen av turbulens i nærveggen av forbrenningskammeret og det høye Reynolds-antallet av strømmen, er mengden rutenett som kreves for LES-beregning av et enkelt hode på forbrenningskammeret alene i hundrevis av millioner til milliarder. Slike høye beregningsressursforbruk begrenser den utbredte bruken av LES i forbrenningskammersimuleringer.
Etablering av beregningsmodeller og metoder med høy presisjonsberegning basert på den veldig store virvel-simuleringen (VLES) og hybrid Rans-LES-metodrammer er en viktig trend i numerisk simulering. VLES -metoden utviklet av Han et al. Løser problemet med lav beregningseffektivitet forårsaket av filtrering av nettskala og løsende turbulensskala samsvarende begrensninger i tradisjonelle LES, og realiserer koblingsmodellering mellom turbulensmulti-skalaegenskaper, forbigående evolusjonsegenskaper og nettoppløsning. , Justerer VLES adaptivt forholdet mellom turbulensløsning og modellmodellering basert på sanntidsegenskapene til virvelstrukturens evolusjon, noe som reduserer beregningskostnadene betydelig samtidig som beregningsnøyaktigheten sikrer.
Likevel, sammenlignet med tradisjonelle LES, har ikke teorien og egenskapene til VLE -er blitt studert mye. Denne artikkelen introduserer systematisk modelleringsteorien til VLES og dens anvendelseseffekter i forskjellige fysiske scenarier relatert til forbrenningskamre, og fremmer storskala påføring av vler i feltet Aircraft Motor forbrenningskammersimulering.
Stor virvel -simuleringsmetode
Påvirkningen av turbulenssimuleringsmetoder på beregning av ressursforbruk og modeller er vist i figur 1. Rans, LES og VLES -metoder oppnår alle flytsimulering gjennom turbulensmodellering. Det skal bemerkes at den tidligste klare definisjonen av VLES ble gitt av pave, som refererer til "Computational Grid -skalaen er for grov slik at den turbulente kinetiske energien direkte er løst er mindre enn 80% av den totale turbulente kinetiske energien". Samtidig er betydningen av LES gitt av pave [6] "beregningsnettet er veldig fin, slik at den turbulente kinetiske energien direkte er løst er større enn 80% av den totale turbulente kinetiske energien". Likevel skal det bemerkes at VLE -en som ble introdusert i denne artikkelen er en ny beregningsmetode som er blitt ombygd og utviklet på grunnlag av den forrige metoden. Selv om navnene er de samme, er den nye VLES -metoden i hovedsak forskjellig fra VLES -metoden definert av pave. Som det fremgår av figuren, er de tradisjonelle turbulensmodusene Rans, Urans, Hybrid Rans/LES, LES og DNS i rekkefølge av beregningsnøyaktighet. Under den nye modellrammen er turbulensmodusene delt inn i RANS, VLES og DNS i rekkefølge av beregningsnøyaktighet. Det vil si at VLES -metoden realiserer foreningen av flere tradisjonelle turbulensmodus, og forskjellige modeller er adaptivt overgang og konverterer jevnt i henhold til lokale egenskaper i faktiske beregninger.
Simulering av typiske fysiske prosesser i forbrenningskammeret
Veldig stor virvel simulering av sterk virvlende flyt
Forbrenningskammeret til en flymotor vedtar vanligvis flytfeltorganisasjonsformer som flertrinns virvel og sterk virvel. Virvelstrømmen er den mest grunnleggende strømningsformen i forbrenningskammeret. Siden virvel er dominerende i både strømningsretningen og tangensiell retning, har den turbulente pulsering av virvel sterkere anisotropi enn tradisjonell rørstrøm, kanalstrøm og jetstrøm. Derfor utgjør den numeriske simuleringen av virvel en stor utfordring for turbulenssimuleringsmetoden. Xia et al. Brukte VLES -metoden for å beregne det klassiske sterke virvelstrømeksemplet i røret; Dellenback et al. [14] gjennomførte strømningsfelteksperimenter på dette eksemplet og har detaljerte eksperimentelle data. Flyten Reynolds -nummeret til det beregnede eksemplet er 1. 0 × 105 (basert på diameteren til sirkulærrøret) og virvelnummeret er 1,23. To sett med strukturerte rutenett brukes i beregningen. Det totale antallet sparsomme rutenett (M1) er omtrent 900, 000 og det totale antallet krypterte nett (M2) er omtrent 5,1 millioner. Resultatene fra statistiske øyeblikk oppnådd ved beregning sammenlignes videre med de eksperimentelle resultatene for å verifisere beregningsnøyaktigheten til VLES -metoden.
Sammenligningen av beregningsresultatene av forskjellige metoder og de eksperimentelle resultatene av den radiale fordelingen av omkrets gjennomsnittshastighet og pulserende hastighet ved forskjellige nedstrømsposisjoner under sterk virvlende strømning er vist i figur 4. I figuren og den horisontale og vertikale koordinatene er dimensjonsløse avstand og dimensjonsloven, hvor d1 -dimensjonen er i den horisontale og d1 -dimensjonsløse avstanden og dimensjonen i figuren og den er dimensjonsløse avstanden og dimensjonen i figuren. hastighet. Som det fremgår av figuren, viser strømningsfeltet en typisk Rankin-lignende forbindelsesvirvel gradvis overgang til en enkelt stiv kroppsvirvel. Sammenlignet beregningen og eksperimentelle resultatene, kan det bli funnet at VLES -metoden har en høy beregningsnøyaktighet for prediksjon av omkretshastigheten til sterk virvlende strømning, noe som er i god overensstemmelse med fordelingen av eksperimentelle målinger. Den tradisjonelle RANS -metoden har et veldig stort avvik i beregningen av virvelstrømmen og kan ikke riktig forutsi den romlige utviklingen av virvelstrømningsfeltet og turbulent pulsering. Til sammenligning har VLES -metoden en veldig høy nøyaktighet i prediksjonen av det gjennomsnittlige hastighetsfeltet, pulserende hastighetsfelt og romlig evolusjon under kompleks sterk virvlende strømning, og kan fremdeles garantere en høy beregningsnøyaktighet selv ved en relativt sparsom rutenettoppløsning. For prediksjon av omkrets gjennomsnittshastigheten er beregningsresultatene fra VLES -metoden i utgangspunktet konsistente i to sett med sparsomme og tette nettoppløsninger.
Stor virvel simulering av turbulent forbrenning
For å studere gjennomførbarheten av VLES -metoden for å forutsi turbulente forbrenningsproblemer [15-16] ble en turbulent forbrenningsmodell basert på VLES -metoden koblet med flameletgenererte manifolder (FGM) utviklet. Den grunnleggende ideen er å anta at den turbulente flammen har en endimensjonal laminær flammestruktur lokalt, og den turbulente flammeoverflaten er ensemblegjennomsnittet av en serie laminære flammeoverflater. Derfor kan det høye dimensjonale komponentområdet kartlegges til et lavdimensjonalt strømningsmønster sammensatt av flere karakteristiske variabler (blandingsfraksjon, reaksjonsfremdriftsvariabel, etc.). Under betingelse av å vurdere den detaljerte reaksjonsmekanismen, reduseres antall transportligninger som skal løses kraftig, og reduserer dermed beregningskostnadene betydelig.
Den spesifikke implementeringsprosessen er å konstruere FGM -laminær datatabell I den numeriske beregningen løses transportligningene av blandingsfraksjonen, reaksjonsfremdriftsvariablene og den tilsvarende variansen, og informasjon om forbrenningsfelt oppnås ved å spørre den turbulente datatabellen.
Den turbulente forbrenningsmodellen basert på VLES og FGM ble brukt til å utføre numeriske beregninger på metan/luft turbulent jetflamme (flamme D) målt ved Sandia -laboratoriet i USA, og kvantitative sammenligninger ble gjort med eksperimentelle måledata. Drivstoffmaterialet til Sandia Flame D -eksemplet (Reynolds -tallet er 22400) er en komplett blanding av metan og luft med et volumforhold på 1: 3, drivstoffinnløpshastigheten er omtrent 49,9 m/s, og våknehastigheten er omtrent 11,4 m/s. Pliktflammen er en blanding av brent metan og luft, og vekkematerialet er ren luft. Beregningen bruker et strukturert rutenett, og det totale antallet rutenett er omtrent 1,9 millioner.
Fordelingen av den gjennomsnittlige massefraksjonen av forskjellige komponenter langs aksen er vist i figur 5. De horisontale og vertikale koordinatene i figuren er dimensjonsløs avstand (D2 er henholdsvis diameteren til innløpsstråten) og dimensjonsløse massefraksjon. Det kan sees fra figuren at prediksjonen av hovedkomponentene i forbrenningsprosessen med VLES -metoden generelt er i god overensstemmelse med de eksperimentelle resultatene. Den spredte fordelingen av temperaturen ved forskjellige nedstrømsposisjoner i blandingsfraksjonen er vist i figur 6. Det kan sees fra figuren at den spredte distribusjonstrenden som er forutsagt med VLES -metoden, er i utgangspunktet i samsvar med de eksperimentelle resultatene, og bare den beregnede temperaturen er ekstrem verdi litt høyere enn den eksperimentelle verdien. Fordelingen av øyeblikkelig vortisitet, temperatur og oppløsningskontrollfunksjon beregnet med VLES er vist i figur 7, der den faste linjen er tatt som ZST =0. 351. Det kan sees fra figuren at kjernejetområdet viser sterk turbulent pulsering, og når strømningsfeltet utvikler seg nedstrøms, øker omfanget av virvelstrukturen gradvis. Som det fremgår av figur 7 (b) og (c), i de fleste kjemiske reaksjonsområder, er oppløsningskontrollfunksjonen mellom 0 og 1, noe som indikerer at den lokale nettoppløsningen kan fange opp storstilt turbulens og bare simulere småskala turbulens gjennom modellen. På dette tidspunktet oppfører VLES seg som en omtrentlig stor virvel -simuleringsløsningsmodus. I jet skjærlaget og ytterkanten av nedstrøms flammen er oppløsningskontrollfunksjonen nær 1, noe som indikerer at den avkortede filterskalaen til beregningsnettet er større enn den lokale turbulensskalaen. På dette tidspunktet oppfører VLES seg som en ustabil Reynolds gjennomsnittlig løsningsmodus. Oppsummert kan det sees at VLES-metoden kan realisere transformasjonen av flere turbulensløsningsmodus i henhold til sanntidsegenskapene til virvelstrukturens evolusjon, og nøyaktig kan forutsi den ustabile forbrenningsprosessen i turbulente flammer.
Stor virvel -simulering av den komplette forstøvningsprosessen
Det meste av drivstoffet som brukes i forbrenningskammeret til en flymotor er flytende drivstoff. Flytende drivstoff kommer inn i forbrenningskammeret og gjennomgår primær forstøvning og sekundær forstøvningsprosesser. Det er mange vanskeligheter med å simulere den komplette forstøvningsprosessen med flytende drivstoff, inkludert fangst av den gass-væske tofaset topologiske grensesnittkonfigurasjon, deformasjon og brudd på flytende kolonne, bruddutviklingen av flytende bånd og flytende filamenter i dråper, og interaksjonen mellom turbulent strømning og dråper. Huang Ziwei [19] utviklet en komplett forstøvningsprosess-simuleringsmodell basert på VLES-metoden kombinert med VOFDPM-hybrid-atomiseringsberegningsmetoden, og realiserer den numeriske numeriske simuleringen av drivstoffomomisering fra kontinuerlig væske til diskrete dråper.
En nyutviklet forstøvningsprosess-simuleringsmodell ble brukt til å utføre numeriske beregninger med høy presisjon av den klassiske laterale strømningsvæskekolonne-forstøvningsprosessen, og en detaljert sammenligning ble gjort med de eksperimentelle resultatene i åpen litteratur [2 0] og den store virvel-simuleringsberegningen [21]. I beregningseksemplet er gassfasen luft med hastigheter på henholdsvis 77,89 og 110,0 m/s, og væskefasen er flytende vann med en hastighet på 8,6 m/s. De tilsvarende Weber -tallene er henholdsvis 100 og 200. For å bedre simulere den sekundære oppbruddsprosessen, vedtar samlivsmodellen Kelvin-Helmholtz og Rayleigh-Taylor (KHRT) -modellen.
Den komplette forstøvningsprosessen som er forutsagt av VLES under Weber nummer 100 -tilstanden er vist i figur 8. Som det fremgår av figuren, dannes et tynt ark med flytende kolonne i det innledende området, og deretter bryter væskekolonnen i flytende bånd og flytende filamenter, og bryter i dråper under aerodynamisk kraft, og dråpene blir ytterligere brutt i mindre dråper gjennom andre andre brudd. Strømhastigheten og spanvis vortisitetsfordeling beregnet med vler under Weber-nummer 100-tilstanden er vist i figur 9. Som det fremgår av figuren, er det en typisk lavhastighets resirkuleringssone på leeward-siden av væskesøylen. Det kan finnes fra den øyeblikkelige vortisitetsfordelingen at leeward-siden av væskesøylen viser en sterk virvelstruktur, og den sterke turbulente bevegelsen i lavhastighets resirkulasjonssonen bidrar til brudd på flytende kolonnearket og dannelsen av dråper.
Forholdet mellom den innledende jetdiameteren og den minste strømningsdimensjonen til væskestrålen når væskekolonnen begynner å bryte opp under forskjellige Weber -tall er vist i figur 10. I figuren er DI den minste strømningsdimensjonen til væskestrålen når væskekolonnen begynner å bryte opp, og D3 er den første flytende jet -diameteren. Det kan sees fra figuren at VLES -beregningsresultatene er i god overensstemmelse med de eksperimentelle resultatene, som er bedre enn den store virvel -simuleringsberegningen resulterer i litteraturen [21].
Forbrenning ustabilitet veldig stor virvel simulering
For å oppfylle kravene til lave utslipp, er forbrenningskamre for sivile fly vanligvis designet med forblandet eller delvis forblandet mager forbrenning. Imidlertid har Lean Premixed forbrenning dårlig stabilitet og er utsatt for å begeistre termoakustiske koblede svingningsforbrenningsmodus, noe som fører til forbrenningsinstabilitet. Forbrenningsinstabilitet er svært ødeleggende og kan være ledsaget av problemer som flashback og solid deformasjon, som er et fremtredende problem som forbrenningskammerdesign står overfor.
Den numeriske beregningen av forbrenningsinstabilitet kan deles inn i to kategorier: avkoblingsmetode og direkte koblingsmetode. Den avkoblede forbrenningsinstabilitetsprediksjonsmetoden kobler fra ustabil forbrenning og akustiske løsninger. Ustabil forbrenning krever et stort antall numeriske beregningsprøver for å bygge en pålitelig flammebeskrivelsesfunksjon. Hvis den store virvel -simuleringsberegningsmetoden brukes, er dens beregningsressursforbruk for stort. Den direkte koblingsberegningsmetoden er basert på den komprimerbare løsningsmetoden, og oppnår direkte resultatet av forbrenningsinstabilitet gjennom høy presisjon ustabil beregning, det vil si at koblingsberegningsprosessen for ustabil forbrenning og akustikk under gitte arbeidsforhold fullføres på en gang innenfor samme beregningsramme.
I studien av numerisk simulering av avkobling av forbrenningsinstabilitet, Huang et al. [27] utviklet en forbrenningsinstabilitetsberegningsmodell basert på VLES -metoden kombinert med tykningsflammeberegningsmetoden, og oppnådde nøyaktig prediksjon av den ustabile forbrenningsprosessen under akustisk eksitasjon. Beregningseksemplet er en stump kroppsstasjonær etylen/luft fullt forblandet flamme utviklet av Cambridge University, med et ekvivalensforhold på 0. 55 og et Reynolds -antall på ca. 17000. Sammenligningen mellom vistet som er i beregningen og den som er en skikkelig. Flammen ruller over ved de indre og ytre skjærlagene og utvikler seg til et mot-roterende virvelpar. I denne prosessen fortsetter utviklingen av den soppformede flammeprofilen å utvikle seg med endringen av fasevinkelen. VLES -beregningsresultatene reproduserer godt flammeutviklingskarakteristikkene som er observert i eksperimentet. Sammenligningen av amplituden og faseforskjellen på varmeutløsningshastighetsresponsen under 160 Hz akustisk eksitasjon oppnådd ved forskjellige beregningsmetoder og eksperimentelle målinger er vist i figur 13. I figuren er Q 'og Q͂ den pulserende varmefrigjøringen og gjennomsnittlig varmeutgivelse, henholdsvis en amplitude. Akustisk eksitasjon og innløpshastighetseksitasjonssignalet. Som det fremgår av figuren, er prediksjonens nøyaktighet av VLES -metoden sammenlignbar med nøyaktigheten av stor virvel -simulering [28], og begge er i god overensstemmelse med eksperimentelle verdier. Selv om den ustabile RANS -metoden forutsier trenden med ikke -lineær respons, avviker de beregnede kvantitative resultatene sterkt fra de eksperimentelle verdiene. For faseforskjellresultatene (figur 13 (b)) er trenden av faseforskjellen som er forutsagt av VLES -metoden med forstyrrelsesamplitude i utgangspunktet i samsvar med de eksperimentelle resultatene, mens de store virvel -simuleringsresultatene ikke forutsier ovennevnte trend godt.
