Forschungsfortschritte bei der aerodynamischen Leistung der Brennkammer der Flugzeugmotoren basierend auf einer großen Wirbelsimulation
Die Brennkammer ist eine der Kernkomponenten eines Flugzeugmotors, und die aerodynamische Leistung der Brennkammer spielt eine wichtige Rolle bei der Leistung des gesamten Motors. Um die zunehmend strengeren technischen Anforderungen des Motors für die Brennkammer zu erfüllen, sind der Verbrennungsorganisationsmodus und die Flusseigenschaften innerhalb der Brennkammer sehr komplex geworden. Der Verzögerungs- und Druckprozess des Diffusors kann unter einem starken Nebendruckgradienten ausgesetzt sein. Der Luftstrom durchläuft ein mehrstufiges Wirbelgerät, um eine großflächige Wirbelstruktur zu bilden, die einerseits die Zerstäubung und Verdunstung des flüssigen Brennstoffs fördert und eine stark pulsierende, instationäre Mischung mit dem Kraftstoff bildet und andererseits eine stationäre Flamme in der aerodynamischen Rexusionszone erzeugt. Die mehrfachen Jets der Hauptverbrennung/Mischloch interagieren mit dem lateralen Fluss im Flammenrohr, um ein konterrotierendes Wirbelpaar zu bilden, was einen wichtigen Einfluss auf das turbulente Mischen hat. Auf der Grundlage des Durchflusses sind mehrskalige physikalische und chemische Prozesse wie Zerstäubung und Verdampfung, Mischung, chemische Reaktion und Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Flamme stark gekoppelt, die die aerodynamischen Eigenschaften der Brennkammer gemeinsam bestimmen. Die hochpräzisen Modellierung und Berechnung dieser physikalischen und chemischen Prozesse war schon immer ein heißes Thema der Forschung im In- und Ausland.
Die Zerstäubungs-, Verdunstungs-, Misch- und Verbrennungsprozesse in der Brennkammer entwickeln und entwickeln sich in einer turbulenten Flussumgebung, sodass der Fluss die Grundlage für die Simulation der aerodynamischen Leistung der Verbrennungskammer ist. Das grundlegende Merkmal von Turbulenzen ist, dass die Flussparameter aufgrund des nichtlinearen Konvektionsprozesses zufällige Pulsation aufweisen. Turbulenz enthält viele Wirbelstrukturen. Die Spannweiten verschiedener Wirbel in Länge- und Zeitskalen sind enorm, und mit zunehmender Reynolds -Zahl steigen die Spannweiten zwischen den Skalen stark. Gemäß dem Anteil der direkt gelösten turbulenten Wirbelstrukturen werden Turbulenzsimulationsmethoden in direkte numerische Simulation (DNS), Reynolds-gemittelte Navier-Stokes (RANs), große Wirbelsimulation (LES) und gemischte Turbulenz-Simulationsmethoden unterteilt. Die RANS -Methode, die im Ingenieurwesen weit verbreitet ist, löst das turbulente Mittelfeld und verwendet ein Modell, um alle turbulenten Pulsationsinformationen zu simulieren. Die Berechnungsmenge ist gering, aber die Genauigkeit ist schlecht. Bei starken Wirbel- und unsteten Flussprozessen in der Brennkammer können RANs die Anforderungen des raffinierten Designs nicht erfüllen. Pitsch wies darauf hin, dass die rechnerische Komplexität von LES zwischen RANS und DNS liegt und derzeit für turbulente Verbrennungsberechnungen in uneingeschränkten Räumen mit mittleren und niedrigen Reynolds -Zahlen verwendet wird. Aufgrund des kleinen Maßstabs der Turbulenz in der Nahmauerfläche der Verbrennungskammer und der hohen Reynoldszahl des Flusses beträgt die für die LES-Berechnung eines einzelnen Kopfes der Verbrennungskammer erforderliche Gitter allein in den Hunderten von Millionen bis Milliarden. Ein solcher hoher Rechenressourcenverbrauch begrenzt die weit verbreitete Verwendung von LES in Brennkammersimulationen.
Die Festlegung von Berechnungsmodellen und -methoden mit hoher Präzisions-Berechnungsmodellen auf der Grundlage der sehr großen Wirbelsimulation (VLES) und hybrid-RANS-LES-Methoden-Rahmenbedingungen ist ein wichtiger Trend bei der numerischen Simulation. Die von Han et al. Löst das Problem einer geringen Recheneffizienz, die durch Filtern der Gitterskala und die Lösung von Turbulenzskala-Übereinstimmungsbeschränkungen in herkömmlichen LES verursacht wird, und realisiert die Kopplungsmodellierung zwischen multiskaligen Merkmalen der Turbulenz, transienten Evolutionseigenschaften und Gitterauflösung. , VLES passt das Verhältnis zwischen Turbulenzlösung und Modellmodellierung an, basierend auf den Echtzeitmerkmalen der Wirbelstrukturentwicklung, wodurch die Rechenkosten signifikant gesenkt und gleichzeitig die Berechnunggenauigkeit sichergestellt werden.
Trotzdem wurden im Vergleich zu traditionellen LES die Theorie und die Eigenschaften von VLEs nicht weit verbreitet und verwendet. In diesem Artikel wird systematisch die Modellierungstheorie von VLEs und ihre Anwendungseffekte in verschiedenen physikalischen Szenarien in Bezug auf Brennkammern eingeführt und die großflächige Anwendung von VLEs im Gebiet der Simulation der Bremsmotormotormotor-Verbrennungskammer fördert.
Große Wirbelsimulationsmethode
Der Einfluss von Turbulenz -Simulationsmethoden auf den Verbrauch und die Modelle des Rechenressourcenverbrauchs und Modelle ist in Abbildung 1 dargestellt. RANs, LES und VLES -Methoden erreichen alle Durchflusssimulation durch Turbulenzmodellierung. Es ist zu beachten, dass die früheste eindeutige Definition von VLEs von Papst gegeben wurde, was sich auf "die Rechennetzskala zu grob ist, so dass die turbulente kinetische Energie direkt gelöst ist, weniger als 80% der gesamten turbulenten kinetischen Energie". Gleichzeitig lautet die Bedeutung von LES von Papst [6] "das Rechenraster ist sehr gut, so dass die direkt gelöste turbulente kinetische Energie größer als 80% der gesamten turbulenten kinetischen Energie ist". Es ist jedoch zu beachten, dass die in diesem Artikel eingeführten VLES eine neue Rechenmethode ist, die auf der Grundlage der vorherigen Methode umgebaut und entwickelt wurde. Obwohl die Namen gleich sind, unterscheidet sich die neue VLES -Methode im Wesentlichen von der von Papst definierten VLES -Methode. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, sind die traditionellen Turbulenzmodi RANs, Urans, hybride RANs/LES, LES und DNS in der Reihenfolge der Berechnungsgenauigkeit. Im Rahmen des neuen Modellrahmens sind die Turbulenzmodi in der Reihenfolge der Berechnungsgenauigkeit in RANs, VLEs und DNS unterteilt. Das heißt, die VLES -Methode realisiert die Vereinigung mehrerer herkömmlicher Turbulenzmodi und verschiedene Modelle über den Übergang und konvertieren in tatsächlichen Berechnungen reibungslos und konvertieren sie reibungslos.
Simulation typischer physikalischer Prozesse in der Brennkammer
Sehr große Wirbelsimulation eines starken wirbelnden Flusses
Die Verbrennungskammer eines Flugzeugmotors übernimmt normalerweise Formulare für die Fließfeldorganisation wie mehrstufige Wirbel und starker Wirbel. Der Wirbelfluss ist die grundlegendste Durchflussform in der Brennkammer. Da Swirl sowohl in der Flussrichtung als auch in der tangentialen Richtung dominiert, hat die turbulente Pulsation von Wirbel eine stärkere Anisotropie als herkömmliche Rohrströmung, Kanalfluss und Strahlfluss. Daher stellt die numerische Simulation von Wirbel eine große Herausforderung für die Turbulenz -Simulationsmethode dar. Xia et al. verwendete die VLES -Methode, um das klassische starke Wirbelströmungsbeispiel im Röhrchen zu berechnen. Dellenback et al. [14] führten Flussfeldexperimente zu diesem Beispiel durch und haben detaillierte experimentelle Daten. Die Flow -Reynolds -Anzahl des berechneten Beispiels beträgt 1. 0 × 105 (basierend auf dem Durchmesser des kreisförmigen Rohrs) und die Wirbelnummer beträgt 1.23. In der Berechnung werden zwei Sätze strukturierter Gitter verwendet. Die Gesamtzahl der spärlichen Gitter (M1) beträgt ungefähr 900, 000 und die Gesamtzahl der verschlüsselten Gitter (M2) beträgt etwa 5,1 Millionen. Die durch Berechnung erhaltenen statistischen Momentergebnisse werden weiter mit den experimentellen Ergebnissen verglichen, um die Berechnunggenauigkeit der VLES -Methode zu überprüfen.
Der Vergleich der Berechnungsergebnisse verschiedener Methoden und der experimentellen Ergebnisse der radialen Verteilung der Umfangsdurchschnittsgeschwindigkeit und der pulsierenden Geschwindigkeit an verschiedenen stromabwärts gelegenen Positionen unter starkem Wirbelfluss ist in Abbildung 4 dargestellt. In der Figur ist der horizontale und vertikale Koordinaten dimensionsloser Abstand und dimensionsfreie Velocity. Der Durchschnitt ist. Der Durchschnitt. Der Durchschnitt ist, wobei das Durchschnitt der Durchschnittsdurchmesser. Das Durchschnitt. Das Durchschnitt der Durchschnittsdurchmesser. Geschwindigkeit. Wie aus der Abbildung hervorgeht, zeigt das Flussfeld einen typischen Rankin-ähnlichen Verbindungswirbel, der allmählich zu einem einzelnen starren Körperwirbel übergeht. Unter dem Vergleich der Berechnungs- und experimentellen Ergebnisse kann festgestellt werden, dass die VLES -Methode eine hohe Berechnungsgenauigkeit für die Vorhersage der Umfangsgeschwindigkeit eines starken Wirbelflusses aufweist, der gut mit der Verteilung experimenteller Messungen übereinstimmt. Die traditionelle RANS -Methode hat eine sehr große Abweichung bei der Berechnung des Wirbelflusses und kann die räumliche Entwicklung des Wirbelflussfelds und der turbulenten Pulsation nicht korrekt vorhersagen. Im Vergleich dazu hat die VLES -Methode eine sehr hohe Genauigkeit bei der Vorhersage des durchschnittlichen Geschwindigkeitsfeldes, des pulsierenden Geschwindigkeitsfeldes und der räumlichen Entwicklung unter komplexem starkem Wirbelfluss und kann auch bei einer relativ sparsamen Gitterauflösung eine hohe Berechnungsgenauigkeit garantieren. Für die Vorhersage der Umfangsdurchschnittsgeschwindigkeit sind die Berechnungsergebnisse der VLES -Methode bei zwei Sätzen von spärlichen und dichten Gitterauflösungen im Wesentlichen konsistent.
Große Wirbelsimulation der turbulenten Verbrennung
Um die Machbarkeit der VLES -Methode bei der Vorhersage turbulenter Verbrennungsprobleme [{{}}] zu untersuchen, wurde ein turbulentes Verbrennungsmodell basierend auf der VLES -Methode entwickelt, die mit dem Flamelet -erzeugten Verteiler (FGM) in Verbindung gebracht wurden. Die Grundidee ist anzunehmen, dass die turbulente Flamme eine eindimensionale laminare Flammenstruktur lokal aufweist und die turbulente Flammenoberfläche der Ensemble-Durchschnitt einer Reihe von laminaren Flammenflächen ist. Daher kann der hochdimensionale Komponentenraum auf ein niedrigdimensionales Strömungsmuster aus mehreren charakteristischen Variablen (Mischfraktion, Reaktionsfortschrittsvariable usw.) abgebildet werden. Unter der Bedingung, den detaillierten Reaktionsmechanismus zu berücksichtigen, wird die Anzahl der zu gelösten Transportgleichungen stark reduziert, wodurch die Rechenkosten erheblich gesenkt werden.
Der spezifische Implementierungsprozess besteht darin, die FGM -Laminar -Datentabelle basierend auf den Variablen für die Mischfraktion und die Reaktionsfortschrittsvariablen zu konstruieren, die Wechselwirkung zwischen turbulenter Verbrennung zu berücksichtigen, indem die Funktionsmethode der Wahrscheinlichkeitsdichte angenommen wird, um die laminare Datentabelle zu integrieren und somit die turbulente Datentabelle zu erhalten. In der numerischen Berechnung werden die Transportgleichungen der Mischfraktion, die Reaktionsfortschrittsvariablen und die entsprechende Varianz gelöst, und die Information der Verbrennungsfeld wird durch Abfragen der turbulenten Datentabelle erhalten.
Das auf VLE und FGM basierende turbulente Verbrennungsmodell wurde verwendet, um numerische Berechnungen für die vom Sandia Laboratory in den USA gemessene turbulente Strahlflamme (Flamme D) durchzuführen, und quantitative Vergleiche wurden mit den experimentellen Messdaten durchgeführt. Das Kraftstoffmaterial der Sandia -Flamme -d -Beispiel (Reynolds -Nummer beträgt 22400) ist eine vollständige Mischung aus Methan und Luft mit einem Volumenverhältnis von 1: 3, die Kraftstoffeinlassgeschwindigkeit beträgt etwa 49,9 m/s und die Weckgeschwindigkeit beträgt etwa 11,4 m/s. Die Pflichtflamme ist eine Mischung aus verbranntem Methan und Luft, und das Wachmaterial ist reine Luft. Die Berechnung verwendet ein strukturiertes Netz, und die Gesamtzahl der Netze beträgt etwa 1,9 Millionen.
Die Verteilung des durchschnittlichen Massenanteils verschiedener Komponenten entlang der Achse ist in Abbildung 5 dargestellt. Die horizontalen und vertikalen Koordinaten in der Abbildung sind dimensionslose Entfernung (D2 ist der Durchmesser des Einlassströhrchens) bzw. eine dimensionslose Massenfraktion. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Vorhersage der Hauptkomponenten des Verbrennungsprozesses nach der VLES -Methode im Allgemeinen gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Die gestreute Verteilung der Temperatur an verschiedenen stromabwärts gelegenen Positionen im Mischfraktionraum ist in Abbildung 6 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der durch das VLLE -Verfahren vorhergesagte Streuverteilungstrend im Grunde genommen mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt, und nur der extreme Wert der berechneten Temperatur ist etwas höher als der experimentelle Wert. Die Verteilung der durch VLEs berechneten Instantane -Wirbel-, Temperatur- und Auflösungskontrollfunktion ist in Abbildung 7 dargestellt, wobei die durchgezogene Linie als ZST =0. 351 angenommen wird. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der Kernstrahlbereich eine starke turbulente Pulsation aufweist und sich das Flussfeld stromabwärts entwickelt, wächst die Skala der Wirbelstruktur allmählich. Wie aus Abbildung 7 (b) und (c) in den meisten chemischen Reaktionsbereichen ersichtlich ist, liegt die Auflösungskontrollfunktion zwischen 0 und 1, was darauf hinweist, dass die lokale Gitterauflösung große Turbulenzen erfassen und nur kleine Turbulenzen durch das Modell simulieren kann. Zu diesem Zeitpunkt verhält sich VLLE als ungefähre Lösungsmodus für große Wirbelsimulation. In der Jet -Scherschicht und der äußeren Kante der stromabwärts gelegenen Flamme liegt die Auflösungsregelfunktion in der Nähe von 1, was darauf hinweist, dass die verkürzte Filterskala des Rechenrasters größer ist als die lokale Turbulenzskala. Zu diesem Zeitpunkt verhält sich VLES als instabiler Reynolds -durchschnittlicher Lösungsmodus. Zusammenfassend kann man erkennen, dass die VLLE-Methode die Transformation mehrerer Turbulenzlösungsmodi entsprechend den Echtzeiteigenschaften der Wirbelstrukturentwicklung realisieren kann und den instationären Verbrennungsprozess in turbulenten Flammen genau vorhersagen kann.
Große Wirbelsimulation des vollständigen Zerstäubungsverfahrens
Der größte Teil des Kraftstoffs, der in der Brennkammer eines Flugzeugmotors verwendet wird, ist flüssiger Kraftstoff. Flüssigbrennstoff tritt in die Brennkammer ein und erfährt primäre Zerstäubungs- und sekundäre Zerstäuberungsprozesse. Es gibt viele Schwierigkeiten bei der Simulation des vollständigen Zerstäubungsverfahrens von Flüssigbrennstoffen, einschließlich der Erfassung der topologischen Grenzflächenkonfiguration von Gas-Flüssigkeit, Deformation und Bruch, der Trennentwicklung von Flüssigkeitsbändern und Flüssigkeitsfilamenten in Tröpfchen und der Wechselwirkung zwischen turbulentem Strömung und Tröpfchen. Huang Ziwei [19] entwickelte ein vollständiges Atomisierungsprozesssimulationsmodell auf der Basis der VLES-Methode, die mit der VOFDPM-Hybrid-Zerstäubungs-Berechnungsmethode in Verbindung gebracht wurde, die numerische Simulation der Brennstoffzerstörung durch kontinuierliche Flüssigkeit bis zu diskreten Tröpfchen in vollem Prozess.
Ein neu entwickeltes Atomisierungsprozesssimulationsmodell wurde verwendet, um hochpräzise numerische Berechnungen des Atomisierungsprozesses des klassischen lateralen Flüssigkeitsspaltens durchzuführen, und ein detaillierter Vergleich wurde mit den experimentellen Ergebnissen in der offenen Literatur [2 0] und den Ergebnisse der großen Eddy-Simulationsberechnung durchgeführt [21]. Im Berechnungsbeispiel ist die Gasphase Luft mit Geschwindigkeiten von 77,89 bzw. 110,0 m/s, und die flüssige Phase ist flüssiges Wasser mit einer Geschwindigkeit von 8,6 m/s. Die entsprechenden Weber -Zahlen betragen 100 bzw. 200. Um den sekundären Trennungsprozess besser zu simulieren, nimmt das Trennungsmodell das Modell Kelvin-Helmholtz und Rayleigh-Taylor (KHRT) an.
Der vollständige Atomisierungsprozess, der von VLEs unter der Weber -Nummer 100 -Bedingung vorhergesagt wird, ist in Abbildung 8 dargestellt. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, wird im Anfangsbereich eine dünne Blatt flüssiger Säule gebildet, und dann bricht die flüssige Säule in Flüssigkeitsbänder und flüssige Filamente ein und bricht unter der Wirkung der Aerodynamischen Kraft in die Tröpfchen durch Sekundärzusammenbrüche ein. Die von VLEs unter der Weber-Nummer 100-Bedingung berechnete Stromgeschwindigkeit und die Verteilung der Spannwise-Vorzügigkeit sind in Abbildung 9 dargestellt. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, gibt es eine typische Rezirkulationszone mit niedriger Geschwindigkeit auf der Lee-Seite der flüssigen Säule. Aus der momentanen Verteilung der Wirbelverteilung ist die Lee-Seite der flüssigen Säule eine starke Wirbelstruktur aufweist und die starke turbulente Bewegung in der Rezirkulationszone mit niedriger Geschwindigkeit zum Bruch des flüssigen Säulenblatts und zur Bildung von Tröpfchen beiträgt.
Das Verhältnis des anfänglichen Strahldurchmessers zu der minimalen Durchflussabmessung des Flüssigkeitsstrahls, wenn sich die Flüssigkeitsspalte unter verschiedenen Weber -Zahlen aufbricht, ist in Abbildung 10 dargestellt. In der Abbildung ist DI die minimale Durchflussabmessung des Flüssigkeitsstrahls, wenn sich die Flüssigkeitsspalte auflöst, und D3 ist der anfängliche Flüssigkeitsstrahldurchmesser. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die VLLE -Berechnungsergebnisse gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen, die in der Literatur besser sind als die Berechnung der großen Wirbelsimulation [21].
Verbrennungsinstabilität Sehr große Wirbelsimulation
Um die Anforderungen niedriger Emissionen zu erfüllen, werden die Verbrennungskammern der Zivilflugzeuge normalerweise mit vorgemischten oder teilweise vorgemischten Magerverbrennung ausgelegt. Die magere vorgemischte Verbrennung hat jedoch eine schlechte Stabilität und ist anfällig für die Verbrennungsmodi mit thermoakustischen gekoppelten Oszillationsmodi, was zu einer Verbrennungsinstabilität führt. Die Instabilität der Verbrennung ist sehr zerstörerisch und kann von Problemen wie Rückblenden und soliden Verformungen begleitet werden. Dies ist ein herausragendes Problem, mit dem das Design der Brennkammer konventioniert wird.
Die numerische Berechnung der Verbrennungsinstabilität kann in zwei Kategorien unterteilt werden: Entkopplungsmethode und direkte Kopplungsmethode. Die entkoppelte Verbrennungsinstabilitätsvorhersagemethode entkoppelt die instationäre Verbrennung und die akustischen Lösungen. Unstabile Verbrennung erfordert eine große Anzahl numerischer Berechnungsproben, um eine zuverlässige Flammenbeschreibungsfunktion zu erstellen. Wenn die Berechnungsmethode für große Wirbelsimulationsberechnung verwendet wird, ist der Verbrauch der Computerressourcen zu groß. Die direkte Kopplungsberechnungsmethode basiert auf der kompressiblen Lösungsmethode und erhält direkt das Ergebnis der Verbrennungsinstabilität durch eine stationäre Berechnung mit hoher Präzision, dh der Kopplungsberechnungsprozess der instationären Verbrennung und der Akustik unter bestimmten Arbeitsbedingungen innerhalb desselben Berechnungsrahmens.
In der Untersuchung der numerischen Simulation der Entkopplung der Verbrennungsinstabilität haben Huang et al. [27] entwickelten ein Modell für Verbrennungsinstabilitätsberechnungsmodell basierend auf der VLES -Methode, die mit der Einberechnung von Flammenberechnungsmethoden in Verbindung gebracht wurden, und erreichte eine genaue Vorhersage des instationären Verbrennungsprozesses unter akustischer Anregung. Das Berechnungsbeispiel ist ein stationäres stationäres Ethylen/Luft -Flamme, das von der Universität Cambridge entwickelt wurde, mit einem Äquivalenzverhältnis von 0}. 55 und einer Reynolds -Anzahl von etwa 17000. Der Vergleich zwischen den VLES -Berechnungen und der experimentellen Ergebnisse der unstabilen Flammen dynamisch -fach. Rollt sich an den inneren und äußeren Scherschichten um und entwickelt sich zu einem kontrollierenden Wirbelpaar. In diesem Prozess entwickelt sich die Entwicklung des pilzförmigen Flammenprofils mit der Änderung des Phasenwinkels weiter. Die VLLE -Berechnungsergebnisse reproduzieren die im Experiment beobachteten Flammenentwicklungseigenschaften gut. Der Vergleich der Amplitude und Phasenunterschiede der Reaktion der Wärmefreisetzungsrate unter 160 Hz akustischer Anregung, die durch verschiedene Berechnungsmethoden und experimentelle Messungen erhalten wurde, ist in Abbildung 13 gezeigt. In der Figur sind Q 'und q͂ die pulsierende Wärmeabgabe und die durchschnittliche Wärmeabgabe der Verbrennung der Verbrennung von Durchschnittswärmeabgabe. Akustische Anregung und das Anregungssignal der Einlassgeschwindigkeit. Wie aus der Abbildung hervorgeht, ist die Vorhersagegenauigkeit der VLES -Methode mit der Genauigkeit der großen Wirbelsimulation vergleichbar [28], und beide stimmen gut mit den experimentellen Werten überein. Obwohl die instationäre RANS -Methode den Trend der nichtlinearen Reaktion vorhersagt, weicht die berechneten quantitativen Ergebnisse stark von den experimentellen Werten ab. Für die Phasendifferenzergebnisse (Abbildung 13 (b)) stimmt der Trend der durch die VLES -Methode mit der Störamplitude vorhergesagten Phasendifferenz im Grunde genommen mit den experimentellen Ergebnissen überein, während die Ergebnisse der großen Wirbelsimulation den obigen Trend nicht gut vorhersagen.
