Pētījuma progress gaisa kuģu motora sadegšanas kameras aerodinamiskajā veiktspējā, pamatojoties uz lielu virpuļveida simulāciju
Sadegšanas kamera ir viena no gaisa kuģa motora galvenajām sastāvdaļām, un sadegšanas kameras aerodinamiskajai veiktspējai ir būtiska loma visa motora veiktspējā. Lai izpildītu arvien stingrākās motora tehniskās prasības sadegšanas kamerā, sadegšanas organizācijas režīms un plūsmas īpašības sadegšanas kamerā ir kļuvušas ļoti sarežģītas. Difuzora palēnināšanās un spiediena process var saskarties ar plūsmas atdalīšanos ar spēcīgu nelabvēlīgu spiediena gradientu; Gaisa plūsma iziet cauri daudzpakāpju virpuļveida ierīcei, veidojot liela mēroga virpuļveida struktūru, kas, no vienas puses, veicina šķidrās degvielas atomizāciju un iztvaikošanu un veido spēcīgi pulsējošu, nestabilu maisījumu ar degvielu, un, no otras puses Galvenās sadegšanas/sajaukšanas cauruma vairākas sprauslas mijiedarbojas ar sānu plūsmu liesmas caurulē, lai veidotu pretstāvošu virpuļa pāri, kam ir nozīmīga ietekme uz turbulentu sajaukšanu. Balstoties uz plūsmu, ir spēcīgi savienoti daudzu mēroga fizikāli un ķīmiski procesi, piemēram, atomizācija un iztvaikošana, sajaukšana, ķīmiskā reakcija un mijiedarbība starp turbulenci un liesmu, kas kopīgi nosaka sadegšanas kameras aerodinamiskās īpašības. Šo fizikālo un ķīmisko procesu augstas precizitātes modelēšana un aprēķināšana vienmēr ir bijusi karsta pētījumu tēma mājās un ārvalstīs.
Atomizācijas, iztvaikošanas, sajaukšanas un sadegšanas procesi sadegšanas kamerā attīstās un attīstās turbulentā plūsmas vidē, tāpēc plūsma ir pamats sadegšanas kameras aerodinamiskās veiktspējas simulācijai. Turbulences pamatīpašība ir tā, ka plūsmas parametri parāda nejaušu pulsāciju nelineārā konvekcijas procesa dēļ. Turbulence satur daudzas virpuļveida struktūras. Dažādu virpuļa garuma un laika skalas ilgums ir milzīgs, un, palielinoties Reinoldsa skaitam, strauji palielinās diapazons starp skalām. Saskaņā ar tieši atrisinātajām turbulento virpuļa struktūru proporciju turbulences simulācijas metodes tiek sadalītas tiešā skaitliskā simulācijā (DNS), Reinoldsa vidējā Navjē-Stoksa (RANS), lielas virpuļu simulācijas (LES) un jauktās turbulences simulācijas metodes. RANS metode, kas tiek plaši izmantota inženierijā, atrisina turbulento vidējo lauku un izmanto modeli, lai modelētu visu turbulento pulsācijas informāciju. Aprēķina daudzums ir mazs, bet precizitāte ir slikta. Spēcīgiem virpuļiem un nestabiliem plūsmas procesiem sadegšanas kamerā RANS nevar izpildīt rafinēta dizaina prasības. Piščs norādīja, ka LES aprēķina sarežģītība ir starp RANS un DNS, un šobrīd to izmanto turbulentiem sadegšanas aprēķiniem neierobežotās telpās ar vidējiem un zemiem Reinoldsa skaitļiem. Sakarā ar nelielu turbulences mērogu sadegšanas kameras tuvās sienas apgabalā un plūsmas lielajam Reinoldsa skaitam, tikai kā sadegšanas kameras galvas aprēķināšanai nepieciešamais režģu daudzums ir simtiem līdz miljardiem simtiem līdz miljardiem. Šāds augsts skaitļošanas resursu patēriņš ierobežo plaši izplatītu LES izmantošanu sadegšanas kameras simulācijās.
Svarīga tendence skaitliskajā simulācijā ir augsta precizitātes aprēķinu modeļu un metožu izveidošana, pamatojoties uz ļoti lielo virpuļveida simulācijas (VLE) un hibrīda Rans-LES metodes ietvariem. Han et al. Izstrādātā VLE metode. Atrisina zemas skaitļošanas efektivitātes problēmu, ko izraisa režģa skalas filtrēšana un tradicionālās LES, turbulences skalas risināšana atbilstoši ierobežojumiem, un realizē saistīšanas modelēšanu starp turbulences daudzpalīdzības raksturlielumiem, pārejošām evolūcijas īpašībām un režģa izšķirtspēju. , VLE adaptīvi pielāgo attiecību starp turbulences šķīdumu un modeļa modelēšanu, pamatojoties uz virpuļa struktūras evolūcijas reālā laika raksturlielumiem, ievērojami samazinot skaitļošanas izmaksas, vienlaikus nodrošinot aprēķina precizitāti.
Neskatoties uz to, salīdzinot ar tradicionālajiem LES, VLE teorija un īpašības nav plaši pētītas un izmantotas. Šis raksts sistemātiski iepazīstina ar VLE modelēšanas teoriju un tā pielietojuma efektiem dažādos fizikālos scenārijos, kas saistīti ar sadegšanas kamerām, veicinot VLE liela mēroga pielietojumu gaisa kuģu motora sadegšanas kameras simulācijas jomā.
Liela virpuļu simulācijas metode
Turbulences simulācijas metožu ietekme uz resursu patēriņa un modeļu aprēķināšanu ir parādīta 1. attēlā. Jāatzīmē, ka pāvests deva agrāko skaidru VLE definīciju, kas attiecas uz "aprēķina režģa skala ir pārāk rupja, lai tieši atrisinātā turbulentā kinētiskā enerģija būtu mazāka par 80% no kopējās turbulentās kinētiskās enerģijas". Tajā pašā laikā pāvesta [6] piešķirtā LES nozīme ir "skaitļošanas režģis ir ļoti smalks, tāpēc turbulentā kinētiskā enerģija, kas tieši atrisināta, ir lielāka par 80% no kopējās turbulentās kinētiskās enerģijas". Neskatoties uz to, jāatzīmē, ka šajā rakstā ieviestie VLE ir jauna aprēķināšanas metode, kas ir pārveidota un izstrādāta, pamatojoties uz iepriekšējo metodi. Lai arī nosaukumi ir vienādi, jaunā VLE metode būtībā atšķiras no pāvesta definētā VLE metodes. Kā redzams no attēla, tradicionālie turbulences režīmi ir RANS, URANS, HYBRID RANS/LES, LES un DNS aprēķina precizitātes secībā. Saskaņā ar jauno modeļa sistēmu turbulences režīmi tiek sadalīti RAN, VLE un DNS aprēķina precizitātes secībā. Tas ir, VLE metode realizē vairāku tradicionālo turbulences režīmu apvienošanu un dažādus modeļus adaptīvi pāreju un vienmērīgi pārveido atbilstoši vietējiem raksturlielumiem faktiskajos aprēķinos.
Tipisku fizisko procesu simulācija sadegšanas kamerā
Ļoti liela virpuļveida simulācija ar spēcīgu virpuļojošu plūsmu
Gaisa kuģa motora sadegšanas kamerā parasti tiek izmantotas plūsmas lauka organizācijas formas, piemēram, daudzpakāpju virpuļot un spēcīgu virpuļošanu. Virpuļošanas plūsma ir visvienkāršākā plūsmas forma sadegšanas kamerā. Tā kā virpuļot ir dominējošais gan plūsmas virzienā, gan tangenciālajā virzienā, virpuļojošai virpuļošanai ir spēcīgāka anizotropija nekā tradicionālajai cauruļu plūsmai, kanāla plūsmai un strūklas plūsmai. Tāpēc virpuļošanas skaitliskā simulācija rada lielu izaicinājumu turbulences simulācijas metodei. Xia et al. izmantoja VLE metodi, lai aprēķinātu klasisko spēcīgās virpuļplūsmas piemēru caurulē; Dellenback et al. [14] Veica plūsmas lauka eksperimentus šajā piemērā un ir detalizēti eksperimentāli dati. Aprēķinātā piemēra plūsmas Reinoldsa skaits ir 1. 0 × 105 (pamatojoties uz apļveida caurules diametru), un virpuļa numurs ir 1,23. Aprēķinos tiek izmantoti divi strukturētu režģu komplekti. Kopējais reto režģu skaits (M1) ir aptuveni 900, 000 un kopējais šifrēto režģu skaits (M2) ir aptuveni 5,1 miljons. Statistiskā momenta rezultāti, kas iegūti, aprēķinot, tiek tālāk salīdzināti ar eksperimentālajiem rezultātiem, lai pārbaudītu VLES metodes aprēķina precizitāti.
Dažādu metožu aprēķina rezultātu salīdzinājums un vidējā vidējā ātruma un pulsējošā ātruma radiālā sadalījuma eksperimentālie rezultāti dažādās pakārtotajās pozīcijās spēcīgās virpuļojošās plūsmas attēlā ir parādīti 4. attēlā. Attēlā horizontālās un vertikālās koordinātas ir bez izmēra attāluma un dimensijas ātrums, un tas ir diametrs, kas atrodas. Kā redzams no attēla, plūsmas lauks parāda tipisku Rankin līdzīgu savienojumu virpuļa virpuļa, kas pakāpeniski pāriet uz vienu stingru ķermeņa virpuļplūsmu. Salīdzinot aprēķinu un eksperimentālos rezultātus, var secināt, ka VLE metodei ir augsta aprēķina precizitāte spēcīgas virpuļojošas plūsmas apkārtmēra ātruma prognozēšanai, kas labi saskan ar eksperimentālo mērījumu sadalījumu. Tradicionālajai RANS metodei ir ļoti liela novirze virpuļplūsmas aprēķinā, un tā nevar pareizi paredzēt virpuļplūsmas lauka un turbulento pulsācijas telpisko attīstību. Salīdzinājumam, VLE metodei ir ļoti augsta precizitāte vidējā ātruma lauka prognozēšanā, pulsējošā ātruma laukā un telpiskajā evolūcijā sarežģītā spēcīgā virpuļojošā plūsmā, un tā joprojām var garantēt augstu aprēķina precizitāti pat salīdzinoši maza tīkla izšķirtspēja. Lai prognozētu vidējo vidējo ātrumu, VLE metodes aprēķina rezultāti principā ir konsekventi divos reti un blīvas režģa izšķirtspējas komplektos.
Liela virpuļveida turbulentās sadegšanas simulācija
Lai izpētītu VLE metodes iespējamību, prognozējot turbulentas sadegšanas problēmas [15-16], tika izstrādāts turbulents sadegšanas modelis, kura pamatā ir VLE metode, kas savienota ar liesmas ģenerētajiem kolektoriem (FGM). Pamatideja ir pieņemt, ka turbulentajai liesai ir viendimensionāla laminārā liesmas struktūra lokāli, un turbulentās liesmas virsma ir lamināro liesmu virsmas virknes ansambļa vidējais rādītājs. Tāpēc augstas dimensijas komponentu telpu var kartēt ar zemas dimensijas plūsmas modeli, kas sastāv no vairākiem raksturīgiem mainīgajiem (maisījuma frakcija, reakcijas progresa mainīgais utt.). Nosacījumā, apsverot detalizētu reakcijas mehānismu, tiek ievērojami samazināts transporta vienādojumu skaits, kas jāatrisina, tādējādi ievērojami samazinot aprēķina izmaksas.
Īpašais ieviešanas process ir FGM lamināro datu tabulas izveidošana, pamatojoties uz maisījuma frakcijas un reakcijas progresa mainīgajiem, apsveriet mijiedarbību starp turbulentu sadegšanu, pieņemot varbūtības blīvuma funkcijas metodi, lai integrētu lamināro datu tabulu, un tādējādi iegūstot turbulento datu tabulu. Skaitliskajā aprēķinā tiek atrisināti maisījuma frakcijas transporta vienādojumi, reakcijas progresa mainīgie un atbilstošā dispersija, un sadegšanas lauka informāciju iegūst, vaicājot turbulento datu tabulu.
Turbulentās sadegšanas modelis, kas balstīts uz VLE un FGM, tika izmantots, lai veiktu skaitliskus aprēķinus uz metāna/gaisa turbulentās strūklas liesmas (liesma D), ko mēra Sandia laboratorija Amerikas Savienotajās Valstīs, un kvantitatīvi salīdzinājumi tika veikti ar eksperimentālajiem mērījumu datiem. Sandijas liesmas D piemēra degvielas materiāls (Reynolds numurs ir 22400) ir pilnīgs metāna un gaisa maisījums ar tilpuma attiecību 1: 3, degvielas ieplūdes ātrums ir aptuveni 49,9 m/s, un modināšanas ātrums ir aptuveni 11,4 m/s. Darba liesma ir sadedzināta metāna un gaisa maisījums, un nomoda materiāls ir tīrs gaiss. Aprēķinos tiek izmantots strukturēts režģis, un kopējais režģu skaits ir aptuveni 1,9 miljoni.
Dažādu komponentu vidējās masas frakcijas sadalījums gar asi ir parādīts 5. attēlā. Horizontālās un vertikālās koordinātas attēlā ir bez izmēra attāluma (D2 ir ieplūdes strūklas caurules diametrs) un bezizmēra masas frakcija. No attēla var redzēt, ka sadegšanas procesa galveno komponentu prognozēšana ar VLE metodi parasti ir labi saskaņota ar eksperimentālajiem rezultātiem. Izkliedētais temperatūras sadalījums dažādās pakārtotajās pozīcijās maisījuma frakcijas telpā parādīts 6. attēlā. No attēla var redzēt, ka izkliedētā sadalījuma tendence, kas prognozēta ar VLE metodi, būtībā atbilst eksperimentālajiem rezultātiem, un tikai aprēķinātā temperatūras ekstrēmā vērtība ir nedaudz augstāka par eksperimentālo vērtību. Momentānās virpuļotības, temperatūras un izšķirtspējas kontroles funkcijas sadalījums, kas aprēķināts ar VLE, ir parādīts 7. attēlā, kur cietā līnija tiek uzskatīta par ZST =0. 351. No figūras var redzēt, ka pamata strūklas laukumam ir izteikta turbulenta pulsācija, un, plūsmas laukam attīstoties lejup pa straumi, virpuļa struktūras mērogs pakāpeniski palielinās. Kā redzams no 7. attēla (b) un (c), lielākajā daļā ķīmisko reakcijas apgabalu izšķirtspējas vadības funkcija ir starp 0 un 1, norādot, ka vietējā režģa izšķirtspēja var uztvert liela mēroga turbulenci un modelī tikai simulēt maza mēroga turbulenci. Šajā laikā VLES uzvedas kā aptuvenais liels virpuļveida simulācijas risinājuma režīms. Strūklas bīdes slānī un pakārtotās liesmas ārējā malā izšķirtspējas vadības funkcija ir tuvu 1, norādot, ka aprēķina režģa saīsinātā filtra skala ir lielāka nekā vietējā turbulences skala. Šajā laikā VLES uzvedas kā nestabils Reinoldsa vidējā risinājuma režīms. Rezumējot, var redzēt, ka VLE metode var realizēt vairāku turbulences šķīduma režīmu pārveidi atbilstoši virpuļa struktūras evolūcijas reālā laika raksturlielumiem un precīzi paredzēt nestabilo sadegšanas procesu turbulentās liesās.
Liela virpuļu simulācija visam atomizācijas procesam
Lielākā daļa degvielas, ko izmanto gaisa kuģa motora sadegšanas kamerā, ir šķidra degviela. Šķidrā degviela nonāk sadegšanas kamerā un iziet primāros atomizācijas un sekundāros atomizācijas procesus. Pilnīgu šķidrās degvielas atomizācijas procesa imitēšanu ir daudz grūtību, ieskaitot gāzes-šķidruma divfāžu topoloģiskās saskarnes konfigurācijas, šķidruma kolonnas deformācijas un plīsuma uztveršanu, šķidruma joslu un šķidru pavedienu sadalīšanās evolūciju pilieniņās un mijiedarbība starp turbulentu plūsmu un piliņām. Huang Ziwei [19] izstrādāja pilnīgu atomizācijas procesa simulācijas modeli, kura pamatā ir VLE metode, kas saistīta ar VOFDPM hibrīda atomizācijas aprēķināšanas metodi, realizējot pilna procesa skaitlisko degvielas atomizācijas simulāciju no nepārtraukta šķidruma līdz diskrētiem pilieniem.
Lai veiktu klasiskā sānu plūsmas šķidruma kolonnu atomizācijas procesa, tika izmantots jaunizveidots atomizācijas procesa simulācijas modelis, lai veiktu klasiskā sānu plūsmas šķidruma kolonnu atomizācijas procesu, un tika veikts detalizēts salīdzinājums ar eksperimentālajiem rezultātiem atvērtā literatūrā [2 0] un lielos virpuļveida simulācijas aprēķināšanas rezultātus [21]. Aprēķina piemērā gāzes fāze ir gaiss ar ātrumu attiecīgi 77,89 un 110,0 m/s, un šķidruma fāze ir šķidrs ūdens ar ātrumu 8,6 m/s. Atbilstošie Vēbera skaitļi ir attiecīgi 100 un 200. Lai labāk modelētu sekundāro sadalīšanās procesu, sadalīšanas modelis izmanto Kelvin-Helmholtz un Rayleigh-Taylor (HRT) modeli.
Pilns atomizācijas process, ko VLES prognozē zem Vēbera numura 100 stāvokļa, ir parādīts 8. attēlā. Kā redzams no attēla, sākotnējā zonā veidojas plāna šķidruma kolonnas loksne, un pēc tam šķidruma kolonna sadalās šķidrās joslās un šķidruma pavedienos, un sadalās pilienos zem aerodinamiskā spēka darbība, un pilieni tiek tālāk sadalīti mazākos pilienos, izmantojot sekundāro pārtraukumu. Plūsmas ātrums un spanīga virpuļotības sadalījums, ko aprēķina ar VLE zem Vēbera skaitļa 100 stāvokļa, parādīti 9. attēlā. Kā redzams no attēla, šķidruma kolonnas virzienā ir tipiska zema ātruma recirkulācijas zona. No momentānā virpuļotuma sadalījuma var atrast, ka šķidruma kolonnas virzienam ir spēcīga virpuļa struktūra, un spēcīgā turbulentā kustība zema ātruma recirkulācijas zonā veicina šķidruma kolonnas loksnes plīsumu un pilienu veidošanos.
Sākotnējā strūklas diametra attiecība pret šķidruma strūklas minimālo plūsmas izmēru, kad šķidruma kolonna sāk sadalīties dažādos Weber skaitļos, ir parādīta 10. attēlā. Attēlā DI ir šķidruma strūklas minimālais plūsmas dimensija, kad šķidruma kolonna sāk sadalīties, un D3 ir sākotnējais šķidruma strūklas diametrs. No attēla var redzēt, ka VLE aprēķina rezultāti labi sakrīt ar eksperimentālajiem rezultātiem, kas ir labāki nekā lielie virpuļveida simulācijas aprēķina rezultāti literatūrā [21].
Sadegšanas nestabilitāte ļoti liela virpuļveida simulācija
Lai izpildītu zemu emisiju prasības, civilo gaisa kuģu sadegšanas kameras parasti tiek izstrādātas ar iepriekš sajauktu vai daļēji iepriekš sajauktu liesu sadegšanu. Tomēr Lean iepriekš sajauktai sadedzināšanai ir slikta stabilitāte, un tai ir tendence uzbudināt termoakustisko savienoto svārstību sadegšanas režīmus, izraisot degšanas nestabilitāti. Degšanas nestabilitāte ir ļoti destruktīva, un to var pavadīt tādas problēmas kā zibspuldze un cieta deformācija, kas ir ievērojama problēma, ar kuru saskaras sadegšanas kameras dizains.
Degšanas nestabilitātes skaitlisko aprēķinu var iedalīt divās kategorijās: atdalīšanas metode un tiešās savienošanas metode. Dekoētā sadegšanas nestabilitātes prognozēšanas metode atsakās no nestabilām sadedzināšanas un akustiskajiem šķīdumiem. Lai izveidotu uzticamu liesmas apraksta funkciju, nestabilai sadedzināšanai ir nepieciešams liels skaits skaitlisko aprēķinu paraugu. Ja tiek izmantota lielā virpuļu simulācijas aprēķināšanas metode, tā skaitļošanas resursu patēriņš ir pārāk liels. Tiešās savienojuma aprēķināšanas metode ir balstīta uz saspiesta risinājuma metodi un tieši iegūst sadegšanas nestabilitātes rezultātu, izmantojot augstas precizitātes nestabilu aprēķinu, tas ir, nepārtrauktas sadegšanas un akustikas aprēķināšanas process noteiktos darba apstākļos tiek pabeigts vienā un tajā pašā aprēķina ietvaros.
Izpētot sadegšanas nestabilitātes samazināšanas skaitlisko simulāciju, Huang et al. [27] izstrādāja sadegšanas nestabilitātes aprēķina modeli, kura pamatā ir VLE metode, kas saistīta ar sabiezēšanas liesmas aprēķināšanas metodi, un precīzi prognozēja nestabilo sadegšanas procesu akustiskā ierosināšanā. Aprēķina piemērs ir neass virsbūves stacionārs etilēns/gaisa pilnībā iepriekš sajaukts liesma, ko izstrādājusi Kembridžas universitāte, ar ekvivalences koeficientu 0. 55 un Reinoldsa skaita skaits apmēram 17000. VLES aprēķina rezultātu salīdzinājums, kas aprēķināts, un eksperimentālie rezultāti, kas parādīti 12. attēlā, kas ir parādīts 12. Liesma apgāžas pie iekšējā un ārējā bīdes slāņa un izvēršas par pretestējošu virpuļa pāri. Šajā procesā sēņu formas liesmas profila attīstība turpina attīstīties, mainot fāzes leņķi. VLES aprēķins rezultātā labi reproducē eksperimentā novērotos liesmas evolūcijas raksturlielumus. Siltuma izdalīšanās ātruma reakcijas ātruma reakcijas amplitūdas un fāzes starpības salīdzinājums ar 160 Hz akustisko ierosmi, kas iegūta ar dažādām aprēķina metodēm, un eksperimentālie mērījumi ir parādīti 13. attēlā. Attēlā q 'un q͂ ir pulsējošā siltuma izdalīšanās un vidējā siltuma izdalīšanās sadedzināšanas gadījumā, attiecīgi, ka tas ir sinusoidālā akustiskā izņēmuma pakāpe. ar akustisko ierosmi un ieplūdes ātruma ierosmes signālu. Kā redzams no attēla, VLE metodes prognozēšanas precizitāte ir salīdzināma ar lielas virpuļu simulācijas precizitāti [28], un abi labi saskan ar eksperimentālajām vērtībām. Kaut arī nestabilā RANS metode prognozē nelineāras reakcijas tendenci, aprēķinātie kvantitatīvie rezultāti ievērojami atšķiras no eksperimentālajām vērtībām. Fāzes starpības rezultātiem (13. attēls (b)) fāžu starpības tendence, kas prognozēta ar VLE metodi ar traucējumiem, galvenokārt atbilst eksperimentālajiem rezultātiem, savukārt lielie virpuļveida simulācijas rezultāti neprognozē iepriekš minēto tendenci.
