התקדמות מחקרית בביצועים אווירודינמיים של תא הבעירה של מנועי מטוסים המבוססים על סימולציה גדולה

התקדמות מחקרית בביצועים אווירודינמיים של תא הבעירה של מנועי מטוסים המבוססים על סימולציה גדולה

תא הבעירה הוא אחד מרכיבי הליבה של מנוע מטוסים, והביצועים האווירודינמיים של לשכת הבעירה ממלאים תפקיד חיוני בביצועי המנוע כולו. על מנת לעמוד בדרישות הטכניות המחמירות יותר ויותר של המנוע לתא הבעירה, מצב ארגון הבעירה ומאפייני הזרימה בתוך תא הבעירה הפכו מורכבים מאוד. תהליך ההאטה והלחץ של המפזר עשוי להתמודד עם הפרדת זרימה תחת שיפוע לחץ שלילי חזק; זרימת האוויר עוברת דרך מכשיר מערבולת רב-שלבי ליצירת מבנה מערבולת בקנה מידה גדול, אשר מצד אחד מקדם את ההמתנה והאידוי של הדלק הנוזלי ויוצר תערובת פועמת ולא יציבה עם הדלק, ומצד שני מייצרת להבה נייחת באזור מחדש של אזור אווירודינמי; המטוסים המרובים של חור הבעירה/ערבוב הראשי מקיימים אינטראקציה עם הזרימה לרוחב בצינור הלהבה ליצירת זוג מערבולת מנוגדת נגדית, שיש לה השפעה חשובה על ערבוב סוער. על בסיס זרימה, תהליכים פיזיקליים וכימיים רב-סולם כמו אטומיזציה ואידוי, ערבוב, תגובה כימית ואינטראקציה בין סערה ללהבה משולבים מאוד, אשר קובעים במשותף את המאפיינים האווירודינמיים של תא הבעירה. הדוגמנות והחישוב של הדיוק הגבוה של תהליכים פיזיים וכימיים אלה היו תמיד נושא חם למחקר בבית ומחוצה לה.

תהליכי האמיזציה, האידוי, הערבוב והבעירה בתא הבעירה מתפתחים ומתפתחים בסביבת זרימה סוערת, ולכן זרימה היא הבסיס להדמיה של הביצועים האווירודינמיים של תא הבעירה. המאפיין הבסיסי של הסערה הוא שפרמטרי הזרימה מראים פעימות אקראיות בגלל תהליך ההסעה הלא לינארי. הסערה מכילה מבני מערבולת רבים. מרחבי המערבולת השונים בסולמות אורך וזמן הם עצומים, וככל שמספר ריינולדס גדל, מרחקי הסולמות גדלים בצורה חדה. על פי חלקם של מבני מערבולת סוערים שנפתרים ישירות, שיטות סימולציה של סערה מחולקות לסימולציה מספרית ישירה (DNS), Navier-Stokes ממוצעים של ריינולדס (RANs), סימולציה אדי גדולה (LES) ושיטות סימולציה של סערה מעורבת. שיטת RANS, הנמצאת בשימוש נרחב בהנדסה, פותרת את שדה הממוצע הסוער ומשתמשת במודל כדי לדמות את כל מידע הפעימות הסוער. כמות החישוב קטנה, אך הדיוק גרוע. עבור תהליכי זרימה חזקים ותהליכי זרימה לא יציבים בתא הבעירה, RANs אינם יכולים לעמוד בדרישות התכנון המעודן. פיטש ציין כי המורכבות החישובית של LES היא בין RANS ו- DNS, ומשמשת כיום לחישובי בעירה סוערים בחללים בלתי מוגבלים עם מספרי ריינולדס בינוניים ונמוכים. בשל סולם הסערה הקטן באזור הקיר הקרוב של תא הבעירה ומספר הזרימה של ריינולדס הגבוה, כמות הרשתות הנדרשות לחישוב LES של ראש יחיד של תא הבעירה בלבד היא במאות מיליונים למיליארדים. צריכת משאבים חישובית גבוהה כזו מגבילה את השימוש הנרחב ב- LES בהדמיות תא הבעירה.

הקמת מודלים ושיטות של חישוב דיוק גבוה המבוססים על סימולציה של אדי גדול מאוד (VLES) ומסגרות שיטת RANS-LES היברידיות היא מגמה חשובה בסימולציה מספרית. שיטת VLES שפותחה על ידי Han et al. פותר את בעיית היעילות החישובית הנמוכה הנגרמת כתוצאה מסינון סולם רשת ופתרון מגבלות התאמה בין סולם סערה ב- LES מסורתיות, ומבין את הצילום של דוגמנות בין מאפייני סערה רב-סולם, מאפייני התפתחות חולפים ורזולוציית רשת. , VLEs מתאימים באופן תואם את היחס בין תמיסת הסערה למודלים של מודלים על בסיס המאפיינים בזמן אמת של התפתחות מבנה המערבולת, ומפחית משמעותית את עלויות החישוב תוך הבטחת דיוק חישוב.

אף על פי כן, בהשוואה ל- LES המסורתי, התיאוריה והמאפיינים של VLEs לא נחקרו ומשומשים באופן נרחב. מאמר זה מציג באופן שיטתי את תיאוריית הדוגמנות של VLEs ואת השפעות היישום שלו בתרחישים פיזיים שונים הקשורים לתאי בעירה, ומקדמים את היישום הגדול של VLEs בתחום הדמיית תא הבעירה של מנועי מטוסים.

שיטת סימולציה גדולה של אדי

ההשפעה של שיטות סימולציה של סערה על צריכת משאבי מחשוב ומודלים מוצגת באיור 1. RANS, LES ו- VLES שיטות כולם משיגים הדמיית זרימה באמצעות דוגמנות סערה. יש לציין כי ההגדרה הברורה המוקדמת ביותר של VLEs ניתנה על ידי האפיפיור, המתייחס ל"סולם הרשת החישובית גס מדי כך שהאנרגיה הקינטית הסוערת שנפתרה ישירות היא פחות מ- 80% מכלל האנרגיה הקינטית הסוערת ". יחד עם זאת, המשמעות של LES שניתנה על ידי האפיפיור [6] היא "הרשת החישובית עדינה מאוד כך שהאנרגיה הקינטית הסוערת שנפתרה ישירות גדולה מ- 80% מכלל האנרגיה הקינטית הסוערת". עם זאת, יש לציין כי ה- VLE שהוצגו במאמר זה היא שיטה חישובית חדשה ששופצה מחדש ופותחה על בסיס השיטה הקודמת. למרות שהשמות זהים, שיטת VLEs החדשה שונה במהותה משיטת VLES שהוגדרה על ידי האפיפיור. כפי שניתן לראות מהדמות, מצבי הסערה המסורתיים הם RANS, URANS, RANS/LES, LES ו- DNS לפי דיוק החישוב. במסגרת המודל החדש, מצבי הסערה מחולקים ל- RANS, VLEs ו- DNS לפי סדר דיוק החישוב. כלומר, שיטת VLES מבינה את איחוד מצבי הסערה המסורתיים המרובים, ומודלים שונים עוברים באופן אדפטיבי וממיר בצורה חלקה על פי המאפיינים המקומיים בחישובים בפועל.

הדמיה של תהליכים פיזיים טיפוסיים בתא הבעירה

הדמיה אדי גדולה מאוד של זרימה מתערערת חזקה

לשכת הבעירה של מנוע מטוסים מאמצת בדרך כלל צורות ארגון שדה זרימה כמו מערבולת רב-שלבית ומערבולת חזקה. זרימת מערבולת היא צורת הזרימה הבסיסית ביותר בתא הבעירה. מכיוון שמערבולת היא דומיננטית הן בכיוון הזרימה והן בכיוון המשיק, בפעימה הסוערת של מערבולת יש אניסוטרופיה חזקה יותר מאשר זרימת הצינור המסורתית, זרימת התעלה וזרימת הסילון. לפיכך, הסימולציה המספרית של מערבולת מהווה אתגר גדול לשיטת סימולציה של הסערה. Xia et al. השתמש בשיטת VLES כדי לחשב את הדוגמה הקלאסית של זרימת המערבולת החזקה בצינור; Dellenback et al. [14] ערכו ניסויים בשדה זרימה בדוגמה זו ויש להם נתונים ניסויים מפורטים. מספר הזרימה של Reynolds של הדוגמה המחושבת הוא 1. 0 × 105 (מבוסס על קוטר הצינור המעגלי) ומספר המערבול הוא 1.23. בחישוב שתי קבוצות של רשתות מובנות. המספר הכולל של הרשתות הדלילות (M1) הוא בערך 900, 000 והמספר הכולל של רשתות מוצפנות (M2) הוא כ -5.1 מיליון. תוצאות הרגע הסטטיסטי המתקבלות על ידי חישוב מושוות עוד יותר לתוצאות הניסוי כדי לאמת את דיוק החישוב של שיטת VLES.

ההשוואה בין תוצאות החישוב של שיטות שונות ותוצאות הניסוי של ההתפלגות הרדיאלית של המהירות הממוצעת ההיקפית והמהירות הפועמת במיקומים שונים במורד הזרם תחת זרימה מתפתחת חזקה מוצגת באיור 4. באיור, האיור, התואמים האופקיים ואנכיים הם מרחק ממדים ומימדים, בממוצע המים, בהתאמה בממוצע D1 במתחם ה- D1 בממוצע של D1, בממוצע D1, in the guettal in the guettal in the guettal in the gutlet in ute the gutlet at gutlet at at at at at at at gut guty in the mater מהירות. כפי שניתן לראות מהדמות, שדה הזרימה מראה מערבולת מורכבת דמוית רנקין טיפוסית המעבר בהדרגה למערבולת גוף נוקשה יחידה. בהשוואה בין תוצאות החישוב והניסוי, ניתן למצוא כי לשיטת VLES יש דיוק חישוב גבוה לחיזוי המהירות ההיקפית של זרימת הסחרור החזקה, המסכימה היטב עם התפלגות המדידות הניסיוניות. לשיטת ה- RANS המסורתית יש סטייה גדולה מאוד בחישוב זרימת המערבולת ואינה יכולה לחזות נכון את ההתפתחות המרחבית של שדה זרימת המערבולת ופעימות סוערות. לשם השוואה, לשיטת VLES יש דיוק גבוה מאוד בחיזוי שדה המהירות הממוצע, שדה מהירות פועם והתפתחות מרחבית תחת זרימה מתפתחת חזקה מורכבת, ועדיין יכולה להבטיח דיוק חישוב גבוה אפילו ברזולוציה של רשת דלילה יחסית. לחיזוי המהירות הממוצעת ההיקפית, תוצאות החישוב של שיטת VLEs עולות בעיקרן בשתי קבוצות של רזולוציות רשת דלילות וצפופות.

הדמיה מעורפלת גדולה של בעירה סוערת

על מנת לחקור את כדאיות שיטת VLEs בחיזוי בעיות בעירה סוערות [15-16], פותח מודל בעירה סוער המבוסס על שיטת VLES יחד עם סעיפי הלהבה שנוצרו (FGM). הרעיון הבסיסי הוא להניח שללהבה הסוערת יש מבנה להבה למינרית חד ממדית באופן מקומי, ומשטח הלהבה הסוער הוא הממוצע של ההרכב של סדרת משטחי להבה למינריים. לפיכך, ניתן למפות את מרחב הרכיב הממדי הגבוה לדפוס זרימה ממדי נמוך המורכב מכמה משתנים אופייניים (שבר תערובת, משתנה התקדמות התגובה וכו '). בתנאי התחשבות במנגנון התגובה המפורט, מספר משוואות התובלה שיש לפתור מופחת מאוד, ובכך מפחית משמעותית את עלות החישוב.

תהליך היישום הספציפי הוא לבנות את טבלת הנתונים הלמינרית של FGM בהתבסס על שבריר התערובת ומשתני התקדמות התגובה, קחו בחשבון את האינטראקציה בין בעירה סוערת על ידי הנחת שיטת פונקציית צפיפות ההסתברות לשילוב טבלת הנתונים למינרית, וכך להשיג את טבלת הנתונים הסוערת. בחישוב המספרי נפתרים משוואות ההובלה של שבריר התערובת, משתני התקדמות התגובה והשונות המתאימה, ומידע שדה הבעירה מתקבל על ידי שאילתת טבלת הנתונים הסוערת.

מודל הבעירה הסוער המבוסס על VLEs ו- FGM שימש לביצוע חישובים מספריים על להבת הסילון המתאן/אוויר סוער (להבה ד) שנמדדו על ידי מעבדת סנדיה בארצות הברית, והשוואה כמותית נעשתה עם נתוני המדידה הניסיונית. חומר הדלק של הדוגמא D של להבת סנדיה (מספר ריינולדס הוא 22400) הוא תערובת שלמה של מתאן ואוויר עם יחס נפח של 1: 3, מהירות כניסת הדלק היא בערך 49.9 מ '/ש', ומהירות ההערה היא בערך 11.4 מ '/שניות. להבת החובה היא תערובת של מתאן ואוויר שרוף, וחומר ההערה הוא אוויר טהור. החישוב משתמש ברשת מובנית, ומספר הרשת הכולל הוא כ -1.9 מיליון.

התפלגות שבריר המסה הממוצע של רכיבים שונים לאורך הציר מוצגת באיור 5. הקואורדינטות האופקיות והאנכיות באיור הן מרחק חסר ממדים (D2 הוא קוטר צינור סילון הכניסה) ושבריר מסה ללא ממדים, בהתאמה. ניתן לראות מהנתון כי החיזוי של המרכיבים העיקריים בתהליך הבעירה בשיטת VLES בדרך כלל מסכים עם תוצאות הניסוי. התפלגות המפוזרת של הטמפרטורה במיקומים שונים במורד הזרם במרחב השבר של התערובת מוצגת באיור 6. ניתן לראות מהנתון כי מגמת ההתפלגות המפוזרת שחזה בשיטת VLES תואמת בעצם את התוצאות הניסיוניות, ורק הערך הקיצוני של הטמפרטורה המחושבת מעט גבוה יותר מהערך הניסיוני. התפלגות פונקציית בקרת המערבולת, הטמפרטורה והרזולוציה המיידית המחושבת על ידי VLES מוצגת באיור 7, שם הקו המוצק נלקח כ- ZST =0. 351. ניתן לראות מהנתון כי אזור סילון הליבה מציג פעימות סוערות חזקות, וככל ששדה הזרימה מתפתח במורד הזרם, סולם מבנה המערבולת עולה בהדרגה. כפי שניתן לראות באיור 7 (ב) ו- (ג), ברוב אזורי התגובה הכימית, פונקציית בקרת הרזולוציה היא בין 0 ו- 1, מה שמצביע על כך שרזולוציית הרשת המקומית יכולה לתפוס סערה בקנה מידה גדול ורק לדמות סערה בקנה מידה קטן דרך הדגם. בשלב זה, VLES מתנהג כמצב פתרונות סימולציה גדולים ומעורבים. בשכבת גזירת הסילון ובקצה החיצוני של הלהבה במורד הזרם, פונקציית בקרת הרזולוציה קרובה ל -1, מה שמצביע על כך שסולם המסנן הקטוע של הרשת החישובית גדול יותר מסולם הסערה המקומי. בשלב זה, VLES מתנהג כמצב פתרון ממוצע של ריינולדס לא יציב. לסיכום, ניתן לראות ששיטת VLEs יכולה לממש את הטרנספורמציה של מצבי פתרונות סערה מרובים בהתאם למאפיינים בזמן אמת של התפתחות מבנה המערבולת, ויכולים לחזות במדויק את תהליך הבעירה הלא יציב בלהבות סוערות.

הדמיה גדולה של אדי של תהליך האטומיזציה המלא

מרבית הדלק המשמש בתא הבעירה של מנוע מטוסים הוא דלק נוזלי. דלק נוזלי נכנס לתא הבעירה ועובר תהליכי אטומיזציה ראשוניים ותהליכי אטומיזציה משניים. ישנם קשיים רבים בהדמיה של תהליך האטרומיזציה המלא של דלק נוזלי, כולל לכידת תצורת הממשק הטופולוגי הדו-פאזי של נוזלי הגז, עיוות עמוד נוזלי וקרע, התפתחות הפירוק של רצועות נוזליות ונושאי נוזלים לטיפות, והאינטראקציה בין זרימה סוערת לטיפות. Huang Ziwei [19] פיתח מודל סימולציה של תהליכי אטומיזציה מלא על בסיס שיטת VLES יחד עם שיטת חישוב האטומיזציה ההיברידית של VOFDPM, תוך מימוש הסימולציה המספרית של מעשה מלא של אמיזציה של דלק מנוזל רציף לטיפות נפרדות.

מודל סימולציה של תהליכי אטומיזציה שפותחו לאחרונה שימש לביצוע חישובים מספריים בעלי דיוק גבוה של תהליך האטרומיזציה של עמוד נוזלי זרימה לרוחב הקלאסי, ונעשתה השוואה מפורטת עם תוצאות הניסוי בספרות הפתוחה [2 0] ותוצאות חישוב הסימולציה הגדולות של אדי [21]. בדוגמת החישוב, שלב הגז הוא אוויר עם מהירות של 77.89 ו- 110.0 מ '/ש', בהתאמה, והשלב הנוזל הוא מים נוזליים במהירות של 8.6 מ '/ש'. מספרי ה- Weber המתאימים הם 100 ו -200, בהתאמה. על מנת לדמות טוב יותר את תהליך הפירוק המשני, מודל הפרידה מאמצ את מודל קלווין-הלמהולץ וריילי-טיילור (KHRT).

תהליך האטרומיזציה המלא שחזה VLEs בתנאי WEBER מספר 100 מוצג באיור 8. כפי שניתן לראות מהתנת הדמות, נוצר גיליון דק של עמוד נוזלי באזור הראשוני, ואז העמוד הנוזל פורץ ללהקות נוזליות ולחוטים נוזליים, ופורץ טיפות בפעולה של כוח אווירודינמיות, והטיפות נפרדות עוד יותר לטיפות יותר דרך שבירה שנית. מהירות הזרם וחלוקת המערבולת המוחזקת המחושבת על ידי VLEs בתנאי WEBER מספר 100 מוצגים באיור 9. כפי שניתן לראות מהתנת הדמות, קיים אזור מחזור מחזיר מהיר נמוך בצד העמודה של העמוד הנוזל. ניתן למצוא מהתפלגות המערבולת המיידית כי הצד המונע של העמוד הנוזל מציג מבנה מערבולת חזק, והתנועה הסוערת החזקה באזור המחזור המחזור הנמוך תורמת לקרע של גיליון העמוד הנוזל ויצירת טיפות.

היחס בין קוטר הסילון הראשוני למימד הזרימה המינימלי של סילון הנוזל כאשר העמוד הנוזל מתחיל להתפרק תחת מספרי וובר שונים מוצג באיור 10. באיור, DI הוא מימד הזרימה המינימלי של סילון הנוזל כאשר העמוד הנוזל מתחיל להתפרק, ו- D3 הוא קוטר סילון הנוזל הראשוני. ניתן לראות מהנתון כי תוצאות חישוב VLEs מסכימות היטב עם התוצאות הניסוייות, שהן טובות יותר מחישוב הדמיון הגדול של סימולציה של הספרות [21].

חוסר יציבות בעירה סימולציה גדולה מאוד

על מנת לעמוד בדרישות של פליטות נמוכות, תאי בעירה של כלי טיס אזרחיים מתוכננים בדרך כלל עם בעירה רזה מעורבבת מראש או חלקית. עם זאת, בעירה רזה מראש יש יציבות לקויה והיא נוטה לרגש מצבי בעירה של תנודה משולבת תרמו -אקוסטית, מה שמוביל לחוסר יציבות בעירה. חוסר יציבות בעירה הרסנית ביותר ועשויה להיות מלווה בבעיות כמו פלאשבק ועיוות מוצק, וזו בעיה בולטת העומדת בפני עיצוב תא הבעירה.

ניתן לחלק את החישוב המספרי של חוסר יציבות בעירה לשתי קטגוריות: שיטת ניתוק ושיטת צימוד ישיר. שיטת חיזוי חוסר היציבות המנותקת המנותקת מנתקת את הפתרונות הבעירה והפתרונות האקוסטיים הלא יציבים. בעירה לא יציבה מחייבת מספר גדול של דגימות חישוב מספריות לבניית פונקציית תיאור להבה אמינה. אם משתמשים בשיטת חישוב הסימולציה הגדולה הגדולה, צריכת משאבי המחשוב שלה גדולה מדי. שיטת חישוב הצימוד הישיר מבוססת על שיטת הפיתרון הדחיסה, ומשיג ישירות את התוצאה של חוסר יציבות בעירה באמצעות חישוב לא יציב דיוק גבוה, כלומר תהליך חישוב הצימוד של בעירה לא יציבה ואקוסטיקה בתנאי עבודה נתון מסתיים באותה עת באותה מסגרת חישוב.

במחקר על סימולציה מספרית של ניתוק חוסר היציבות בעירה, Huang et al. [27] פיתח מודל חישוב חוסר יציבות בעירה המבוסס על שיטת VLES יחד עם שיטת חישוב הלהבה המתעבה, והשיג חיזוי מדויק של תהליך הבעירה הלא יציב תחת עירור אקוסטי. הדוגמה לחישוב היא גוף בוטה אתילן נייח/אוויר להבה מעורבבת מראש מראש שפותחה על ידי אוניברסיטת קיימברידג ', עם יחס שוויון של כ- 17000. ההשוואה בין תוצאות החישוב של VLEs, והן התוצאות הניסיוניות של התוצאות הלא -יציבות של הלהבה הדינאמית תחת התנהגות האקוסטיקטיקציה. מתגלגל בשכבות הגזירה הפנימיות והחיצוניות ומתפתח לזוג מערבולת נגדי. בתהליך זה, ההתפתחות של פרופיל הלהבה בצורת הפטריות ממשיכה להתפתח עם שינוי זווית הפאזה. תוצאות חישוב ה- VLEs משחזרים היטב את מאפייני התפתחות הלהבה שנצפו בניסוי. ההשוואה בין המשרעת וההבדל שלב של תגובת קצב שחרור החום תחת של 160 הרץ עירור אקוסטי המתקבל בשיטות חישוב שונות ומדידות ניסיוניות מוצגת באיור 13. באיור, Q 'ו- Q͂ הם שחרור החום הפועם ושחרור החום הממוצע של בעירה, בהתאמה, A הוא המשרעת של חריגה אקוסית של סינוסיות, והפרש של הפרש של הפרש של הבילוי של הבילוי של הבילוי של הבילוי של הבילוי של הבילוי. תחת עירור אקוסטי ואות עירור מהירות הכניסה. כפי שניתן לראות מהדמות, דיוק החיזוי של שיטת VLES דומה לדיוק של סימולציה של אדי גדול [28], ושניהם מסכימים היטב עם ערכי הניסוי. למרות ששיטת RANS לא יציבה מנבאת את המגמה של תגובה לא לינארית, התוצאות הכמותיות המחושבות חורגות מאוד מערכי הניסוי. עבור תוצאות ההבדל שלבים (איור 13 (ב)), מגמת ההבדל שלב שחזה שיטת VLEs עם משרעת ההפרעה עולה בקנה אחד עם תוצאות הניסוי, בעוד שתוצאות הסימולציה הגדולות של האדיב אינן מנבאות היטב את המגמה לעיל.