Forskningsfremskridt på aerodynamisk ydeevne af forbrændingskammeret for flymotor baseret på stor virvel simulering

Forskningsfremskridt på aerodynamisk ydeevne af forbrændingskammeret for flymotor baseret på stor virvel simulering

Forbrændingskammeret er en af ​​kernekomponenterne i en flysmotor, og den aerodynamiske ydelse af forbrændingskammeret spiller en vigtig rolle i udførelsen af ​​hele motoren. For at imødekomme de stadig strengere tekniske krav fra motoren til forbrændingskammeret er forbrændingsorganisationstilstand og flowegenskaber inde i forbrændingskammeret blevet meget komplekse. Diffusorens deceleration og trykprocesser kan stå over for flowseparation under en stærk negativ trykgradient; Luftstrømmen passerer gennem en multi-trins hvirvelanordning for at danne en stor skala hvirvelstruktur, som på den ene side fremmer forstøvning og fordampning af det flydende brændstof og danner en stærkt pulserende, ustabil blanding med brændstof, og på den anden side genererer en stationær flamme i den aerodynamiske recirkulationszone; De flere jetfly af hovedforbrændings-/blandingshullet interagerer med lateralstrømmen i flammøret for at danne et counter-roterende hvirvelpar, som har en vigtig indflydelse på turbulent blanding. På grundlag af flow, flerskala fysiske og kemiske processer såsom forstøvning og fordampning, blanding, kemisk reaktion og interaktion mellem turbulens og flamme er stærkt koblet, som i fællesskab bestemmer de aerodynamiske egenskaber ved forbrændingskammeret. Den høje præcisionsmodellering og beregning af disse fysiske og kemiske processer har altid været et varmt forskningstema i indlandet og i udlandet.

Atomisering, fordampning, blanding og forbrændingsprocesser i forbrændingskammeret udvikler og udvikler sig i et turbulent strømningsmiljø, så strømning er grundlaget for simuleringen af ​​den aerodynamiske ydeevne af forbrændingskammeret. Det grundlæggende kendetegn ved turbulens er, at strømningsparametrene viser tilfældig pulsering på grund af den ikke -lineære konvektionsproces. Turbulens indeholder mange hvirvelstrukturer. Spænderne med forskellige virvler i længde og tidsskalaer er enorme, og når Reynolds -antallet øges, øges spændene mellem skalaerne kraftigt. I henhold til andelen af ​​turbulente hvirvelstrukturer, der er direkte løst, er turbulenssimuleringsmetoder opdelt i direkte numerisk simulering (DNS), Reynolds-gennemsnitlige Navier-Stokes (RANS), stor virvel-simulering (LES) og blandet turbulenssimuleringsmetoder. RANS -metoden, der er vidt brugt i teknik, løser det turbulente middelfelt og bruger en model til at simulere alle turbulente pulsationsinformation. Beregningsbeløbet er lille, men nøjagtigheden er dårlig. For stærk virvel og ustabile strømningsprocesser i forbrændingskammeret kan RANS ikke opfylde kravene til raffineret design. Pitsch påpegede, at beregningskompleksiteten af ​​LES er mellem RANS og DNS, og i øjeblikket bruges til turbulente forbrændingsberegninger i ubegrænsede rum med mellem- og lave Reynolds -tal. På grund af den lille skala af turbulens i det næsten vægområde af forbrændingskammeret og det høje Reynolds-nummer af strømmen, er mængden af ​​gitter, der kræves til LES-beregning af et enkelt hoved af forbrændingskammeret alene, i hundreder af millioner til milliarder. Sådanne høje beregningsmæssige ressourceforbrug begrænser den udbredte anvendelse af LES i forbrændingskammersimuleringer.

Oprettelsen af ​​beregningsmodeller og metoder med høj præcision baseret på den meget store virvel-simulering (VLES) og Hybrid RANS-LES-metodesammenlige rammer er en vigtig tendens i numerisk simulering. VLES -metoden udviklet af Han et al. Løser problemet med lav beregningseffektivitet forårsaget af filtrering af netskala og løsning af turbulensskala-matchende begrænsninger i traditionelle LE'er og indser koblingsmodellering mellem turbulens multi-skalaegenskaber, kortvarige evolutionsegenskaber og gitteropløsning. , Justerer VLES adaptivt forholdet mellem turbulensopløsning og modelmodellering baseret på realtidskarakteristika for hvirvelstrukturudviklingen, hvilket reducerer beregningsnøjagtigheden markant, samtidig med at beregningsnøjagtigheden.

Ikke desto mindre sammenlignet med traditionelle LES er teorien og karakteristika for VLE'er ikke blevet undersøgt i vid udstrækning og brugt. Dette papir introducerer systematisk modelleringsteorien om VLES og dens anvendelseseffekter i forskellige fysiske scenarier relateret til forbrændingskamre, der fremmer den store påføring af VLES inden for simulering af flymotorens forbrændingskammersimulering.

Stor hvirvelimuleringsmetode

Indflydelsen af ​​turbulenssimuleringsmetoder på beregning af ressourceforbrug og modeller er vist i figur 1. RANS, LES og VLES -metoder opnår alle flowsimulering gennem turbulensmodellering. Det skal bemærkes, at den tidligste klare definition af VLE'er blev givet af pave, der henviser til "den beregningsmæssige gitterskala er for groft, så den turbulente kinetiske energi, der er direkte løst, er mindre end 80% af den samlede turbulente kinetiske energi". På samme tid er betydningen af ​​LES, der er givet af pave [6], "beregningsnettet er meget fint, så den turbulente kinetiske energi, der direkte er løst, er større end 80% af den samlede turbulente kinetiske energi". Ikke desto mindre skal det bemærkes, at VLES, der er introduceret i denne artikel, er en ny beregningsmetode, der er blevet ombygget og udviklet på basis af den forrige metode. Selvom navnene er ens, er den nye VLES -metode i det væsentlige forskellig fra VLES -metoden defineret af pave. Som det kan ses af figuren, er de traditionelle turbulenstilstande RANS, Urans, Hybrid RANS/LES, LES og DNS i rækkefølge efter beregningsnøjagtighed. I henhold til den nye modelramme er turbulenstilstande opdelt i RANS, VLES og DNS i rækkefølge efter beregningsnøjagtighed. Det vil sige, at VLES -metoden realiserer forening af flere traditionelle turbulenstilstande, og forskellige modeller adaptivt overgår og konverterer jævnt i henhold til lokale egenskaber i faktiske beregninger.

Simulering af typiske fysiske processer i forbrændingskammeret

Meget stor virvel simulering af stærk hvirvlende strømning

Forbrændingskammeret fra en flysmotor vedtager normalt flowfeltorganisationer, såsom multi-trins hvirvel og stærk hvirvel. Swirl Flow er den mest basale strømningsform i forbrændingskammeret. Da hvirvel er dominerende i både strømningsretningen og den tangentielle retning, har den turbulente pulsering af hvirvel stærkere anisotropi end traditionel rørstrøm, kanalstrøm og jetstrøm. Derfor udgør den numeriske simulering af hvirvel en stor udfordring for turbulenssimuleringsmetoden. Xia et al. anvendte VLES -metoden til at beregne det klassiske stærke virvelstrømningseksempel i røret; Dellenback et al. [14] udførte flowfelteksperimenter på dette eksempel og har detaljerede eksperimentelle data. Strømmen Reynolds -nummeret på det beregnede eksempel er 1. 0 × 105 (baseret på diameteren på det cirkulære rør), og hvirvelnummeret er 1,23. To sæt strukturerede gitter bruges i beregningen. Det samlede antal sparsomme gitter (M1) er ca. 900, 000, og det samlede antal krypterede gitter (M2) er ca. 5,1 millioner. De statistiske øjebliksresultater opnået ved beregning sammenlignes yderligere med de eksperimentelle resultater for at verificere beregningsnøjagtigheden af ​​VLES -metoden.

Sammenligningen af ​​beregningsresultaterne af forskellige metoder og de eksperimentelle resultater af den radiale fordeling af den perifere gennemsnitlige hastighed og pulserende hastighed ved forskellige nedstrøms positioner under stærk hvirvlende strøm er vist i figur 4. I figuren er diameteren og den lodrette rør og dimensionel afstand. Som det kan ses af figuren, viser flowfeltet en typisk rankin-lignende sammensat hvirvel, der gradvist skifter til en enkelt stiv kropsvortex. Når man sammenligner beregningen og eksperimentelle resultater, kan det konstateres, at VLES -metoden har en høj beregningsnøjagtighed til forudsigelse af den omkredshastighed for stærk hvirvlende strømning, hvilket er i god overensstemmelse med fordelingen af ​​eksperimentelle målinger. Den traditionelle RANS -metode har en meget stor afvigelse i beregningen af ​​hvirvelstrømmen og kan ikke korrekt forudsige den rumlige udvikling af hvirvelstrømningsfeltet og turbulent pulsering. Til sammenligning har VLES -metoden en meget høj nøjagtighed i forudsigelsen af ​​det gennemsnitlige hastighedsfelt, pulserende hastighedsfelt og rumlig udvikling under kompleks stærk hvirvlende strømning og kan stadig garantere en høj beregningsnøjagtighed, selv med en relativt sparsom gitteropløsning. For forudsigelse af den omkredsede gennemsnitlige hastighed er beregningsresultaterne af VLES -metoden dybest set konsistente ved to sæt sparsomme og tætte gitteropløsninger.

Stor hvirvel -simulering af turbulent forbrænding

For at undersøge gennemførligheden af ​​VLES -metoden til at forudsige turbulente forbrændingsproblemer [15-16] blev der udviklet en turbulent forbrændingsmodel baseret på VLES -metoden kombineret med de flameletgenererede manifolds (FGM). Den grundlæggende idé er at antage, at den turbulente flamme har en en-dimensionel laminær flammestruktur lokalt, og den turbulente flammeoverflade er ensemblets gennemsnit af en række laminære flammeoverflader. Derfor kan det højdimensionelle komponentrum kortlægges til et lavdimensionelt strømningsmønster sammensat af flere karakteristiske variabler (blandingsfraktion, reaktionsfremskridt variabel osv.). Under betingelsen af ​​at overveje den detaljerede reaktionsmekanisme reduceres antallet af transportligninger, der skal løses, i høj grad, hvilket reducerer beregningsomkostningerne væsentligt.

Den specifikke implementeringsproces er at konstruere FGM -laminar -datatabellen baseret på blandingsfraktionen og reaktionsfremskridts variabler, overveje interaktionen mellem turbulent forbrænding ved at antage sandsynlighedstæthedsfunktionsmetoden til at integrere den laminære datatabel og således opnå den turbulente datatabel. I den numeriske beregning løses transportligningerne af blandingsfraktionen, reaktionsfremskridtvariabler og den tilsvarende varians, og forbrændingsfeltinformationen opnås ved at forespørge den turbulente datatabel.

Den turbulente forbrændingsmodel baseret på VLES og FGM blev anvendt til at udføre numeriske beregninger på metan/luftturbulente jetflamme (flamme D) målt ved Sandia -laboratoriet i USA, og kvantitative sammenligninger blev foretaget med eksperimentelle målingsdata. Brændstofmaterialet i Sandia Flame D -eksemplet (Reynolds -nummer er 22400) er en komplet blanding af metan og luft med et volumenforhold på 1: 3, brændstofindløbshastigheden er ca. 49,9 m/s, og kølvandet er ca. 11,4 m/s. Toldflammen er en blanding af brændt metan og luft, og kølvandet er ren luft. Beregningen bruger et struktureret gitter, og det samlede antal gitter er ca. 1,9 millioner.

Fordelingen af ​​den gennemsnitlige massefraktion af forskellige komponenter langs aksen er vist i figur 5. De horisontale og lodrette koordinater i figuren er dimensionsfri afstand (D2 er diameteren på indgangsjetrøret) og dimensionsfri massefraktion. Det kan ses fra figuren, at forudsigelsen af ​​hovedkomponenterne i forbrændingsprocessen ved hjælp af VLES -metoden generelt er i god overensstemmelse med de eksperimentelle resultater. Den spredte fordeling af temperaturen ved forskellige nedstrøms positioner i blandingsfraktionsrummet er vist i figur 6. Det kan ses fra figuren, at den spredte fordelingstrend, der er forudsagt ved VLES -metoden, dybest set er i overensstemmelse med de eksperimentelle resultater, og kun den beregnede temperaturekstremværdi er lidt højere end den eksperimentelle værdi. Fordelingen af ​​den øjeblikkelige vorticitet, temperatur- og opløsningskontrolfunktion beregnet ved VLE'er er vist i figur 7, hvor den faste linje tages som ZST =0. 351. Det kan ses fra figuren, at kerne -jetområdet udviser stærk turbulent pulsering, og når strømningsfeltet udvikler sig nedstrøms, øges omfanget af hvirvelstrukturen gradvist. Som det kan ses af figur 7 (b) og (c), i de fleste kemiske reaktionsområder, er opløsningskontrolfunktionen mellem 0 og 1, hvilket indikerer, at den lokale gitteropløsning kan fange storskala turbulens og kun simulere småskala turbulens gennem modellen. På dette tidspunkt opfører VLES sig som en omtrentlig stor virvel -simuleringsløsningstilstand. I jet -forskydningslaget og den ydre kant af nedstrøms flamme er opløsningskontrolfunktionen tæt på 1, hvilket indikerer, at den trunkerede filterskala i beregningsnettet er større end den lokale turbulensskala. På dette tidspunkt opfører VLES sig som en ustabil Reynolds gennemsnitlig løsningstilstand. Sammenfattende kan det ses, at VLES-metoden kan realisere omdannelsen af ​​flere turbulensopløsningstilstande i henhold til realtidsegenskaberne for hvirvelstrukturudviklingen og kan nøjagtigt forudsige den ustabil forbrændingsproces i turbulente flammer.

Stor hvirvel -simulering af den komplette forstøvningsproces

Det meste af det brændstof, der bruges i forbrændingskammeret i en flysmotor, er flydende brændstof. Flydende brændstof kommer ind i forbrændingskammeret og gennemgår primær forstøvning og sekundære forstøvningsprocesser. Der er mange vanskeligheder med at simulere den komplette forstøvningsproces for flydende brændstof, herunder indfangning af gas-væske-to-fase topologisk interface-konfiguration, flydende søjle-deformation og brud, opdelingsudviklingen af ​​flydende bånd og flydende filamenter i dråber og interaktionen mellem turbulente strømning og dråber. Huang Ziwei [19] udviklede en komplet forstøvningsproces-simuleringsmodel baseret på VLES-metoden kombineret med VOFDPM-hybridforstærkningsberegningsmetoden, idet man realiserede den fulde process-numeriske simulering af brændstofforringelse fra kontinuerlig væske til diskrete dråb.

En nyudviklet forstøvningsproces-simuleringsmodel blev anvendt til at udføre numeriske beregninger med høj præcision af den klassiske laterale flow-søjleforstærkningsproces, og der blev foretaget en detaljeret sammenligning med de eksperimentelle resultater i den åbne litteratur [2 0] og de store virvel-simuleringsresultater [21]. I beregningseksemplet er gasfasen luft med hastigheder på henholdsvis 77,89 og 110,0 m/s, og flydende fase er flydende vand med en hastighed på 8,6 m/s. De tilsvarende Weber -numre er henholdsvis 100 og 200. For bedre at simulere den sekundære sammenbrudsproces vedtager breakup-modellen Kelvin-Helmholtz og Rayleigh-Taylor (KHRT) -modellen.

Den komplette atomiseringsproces, der er forudsagt af VLES under Weber Number 100 -tilstanden, er vist i figur 8. Som det kan ses af figuren, dannes et tyndt ark af flydende søjle i det indledende område, og derefter brydes flydende søjle i flydende bånd og flydende filamenter og bryder ind i dråberne under handlingen af ​​aerodynamisk kraft, og drinterne er yderligere brudt i mindre dropletter gennem sekundære breakup. Streamhastigheden og spanvis vorticitetsfordeling beregnet ved VLE'er under Weber-nummer 100-tilstanden er vist i figur 9. Som det kan ses af figuren, er der en typisk lavhastigheds recirkulationszone på den leeward side af flydende søjle. Det kan findes fra den øjeblikkelige vorticitetsfordeling, at leeward-siden af ​​væskekolonnen udviser en stærk hvirvelstruktur, og den stærke turbulente bevægelse i den lave hastighed recirkulationszone bidrager til bruddet på det flydende søjleark og dannelsen af ​​dråber.

Forholdet mellem den indledende jetdiameter og den minimale strømningsdimension af den flydende jet, når væskekolonnen begynder at bryde sammen under forskellige Weber -numre, er vist i figur 10. I figuren er DI den minimale strømningsdimension af flydende jet, når væskekolonnen begynder at bryde op, og D3 er den indledende flydende jetdiameter. Det kan ses af figuren, at VLES -beregningsresultaterne er i god overensstemmelse med de eksperimentelle resultater, som er bedre end den store hvirvelimuleringsberegning resulterer i litteraturen [21].

Forbrændingsinstabilitet Meget stor hvirvelimulering

For at imødekomme kravene til lave emissioner, er civile flyforbrændingskamre normalt designet med forblandet eller delvist forblandet mager forbrænding. Imidlertid har mager forblandet forbrænding dårlig stabilitet og er tilbøjelig til at begejstre termoakustiske koblede svingningsforbrændingsmetoder, hvilket fører til forbrændingsinstabilitet. Forbrændingsinstabilitet er meget destruktiv og kan ledsages af problemer såsom flashback og solid deformation, hvilket er et fremtrædende problem, som forbrændingskammerdesign står overfor.

Den numeriske beregning af forbrændingsinstabilitet kan opdeles i to kategorier: afkoblingsmetode og direkte koblingsmetode. Den afkoblede forbrændingsinstabilitetsforudsigelsesmetode afkobler den ustabile forbrænding og akustiske løsninger. Ustabil forbrænding kræver et stort antal numeriske beregningsprøver for at opbygge en pålidelig flammebeskrivelsesfunktion. Hvis beregningsmetoden med stor hvirvel -simulering anvendes, er dens beregningsressourcer forbrug for stor. Metoden med direkte koblingsberegning er baseret på den komprimerbare opløsningsmetode og opnår direkte resultatet af forbrændingsinstabilitet gennem ustabil beregning med høj præcision, dvs. koblingsberegningsprocessen for ustabil forbrænding og akustik under givne arbejdsvilkår er afsluttet på et tidspunkt inden for den samme beregningsramme.

I undersøgelsen af ​​numerisk simulering af forbrændingsinstabilitetsafkobling, Huang et al. [27] udviklede en forbrændingsinstabilitetsberegningsmodel baseret på VLES -metoden kombineret med den fortykende flammeberegningsmetode og opnåede nøjagtig forudsigelse af den ustabil forbrændingsproces under akustisk excitation. The calculation example is a blunt body stationary ethylene/air fully premixed flame developed by Cambridge University, with an equivalence ratio of 0.55 and a Reynolds number of about 17000. The comparison between the VLES calculation results and the experimental results of the unsteady flame dynamic characteristics under acoustic excitation is shown in Figure 12. It can be seen from the figure that during the inlet excitation process, Flammen ruller over ved de indre og ydre forskydningslag og udvikler sig til et mod-roterende hvirvelpar. I denne proces udvikler udviklingen af ​​den svampeformede flammeprofil fortsat med ændringen af ​​fasevinklen. VLES -beregningsresultaterne gengiver godt flammeudviklingsegenskaber, der er observeret i eksperimentet. The comparison of the amplitude and phase difference of the heat release rate response under 160 Hz acoustic excitation obtained by different calculation methods and experimental measurements is shown in Figure 13. In the figure, Q' and Q͂ are the pulsating heat release and average heat release of combustion, respectively, A is the amplitude of sinusoidal acoustic excitation, and the ordinate of Figure 13 (b) is the phase difference between the transient heat release signal of combustion Under akustisk excitation og indløbshastigheds -excitationssignalet. Som det kan ses af figuren, er forudsigelsesnøjagtigheden af ​​VLES -metoden sammenlignelig med nøjagtigheden af ​​stor virvel -simulering [28], og begge er i god overensstemmelse med de eksperimentelle værdier. Selvom den ustabile RANS -metode forudsiger tendensen med ikke -lineær respons, afviger de beregnede kvantitative resultater meget fra de eksperimentelle værdier. For faseforskellens resultater (figur 13 (b)) er tendensen for den faseforskel, der er forudsagt ved VLES -metoden med forstyrrelsesamplitude, dybest set i overensstemmelse med de eksperimentelle resultater, mens de store virvel -simuleringsresultater ikke forudsiger ovennævnte tendens godt.