Progrès de la recherche sur les performances aérodynamiques de la chambre de combustion du moteur d'avion basé sur une grande simulation de Foucault
La chambre de combustion est l'une des composantes centrales d'un moteur d'avion, et les performances aérodynamiques de la chambre de combustion joue un rôle vital dans les performances de l'ensemble du moteur. Afin de répondre aux exigences techniques de plus en plus strictes du moteur pour la chambre de combustion, le mode organisation de combustion et les caractéristiques d'écoulement à l'intérieur de la chambre de combustion sont devenus très complexes. Le processus de décélération et de pressurisation du diffuseur peut faire face à la séparation du débit sous un fort gradient de pression défavorable; Le flux d'air passe par un dispositif de tourbillon à plusieurs étapes pour former une structure de vortex à grande échelle, qui d'une part favorise l'atomisation et l'évaporation du carburant liquide et forme un mélange fortement pulsateur et instable avec le carburant, et d'autre part génère un flamme stationnaire dans la zone de recirculation aérodynamique; Les multiples jets du trou de combustion / mélange principal interagissent avec le débit latéral dans le tube de flamme pour former une paire de vortex contre-rotation, ce qui a une influence importante sur le mélange turbulent. Sur la base de l'écoulement, les processus physiques et chimiques à plusieurs échelles tels que l'atomisation et l'évaporation, le mélange, la réaction chimique et l'interaction entre la turbulence et la flamme sont fortement couplés, qui déterminent conjointement les caractéristiques aérodynamiques de la chambre de combustion. La modélisation et le calcul de ces processus physiques et chimiques de haute précision ont toujours été un sujet brûlant de recherche au pays et à l'étranger.
Les processus d'atomisation, d'évaporation, de mélange et de combustion dans la chambre de combustion se développent et évoluent dans un environnement d'écoulement turbulent, donc le flux est la base de la simulation des performances aérodynamiques de la chambre de combustion. La caractéristique de base de la turbulence est que les paramètres d'écoulement montrent une pulsation aléatoire en raison du processus de convection non linéaire. La turbulence contient de nombreuses structures de vortex. Les portées de différents tourbillons en longueur et en temps sont énormes, et à mesure que le nombre de Reynolds augmente, les portées entre les échelles augmentent fortement. Selon la proportion de structures de vortex turbulentes qui sont directement résolues, les méthodes de simulation de turbulence sont divisées en simulation numérique directe (DNS), des méthodes de simulation de turbulences mixtes à la simulation de turbulences grandes et de turbulences mixtes. La méthode RANS, qui est largement utilisée dans l'ingénierie, résout le champ moyen turbulent et utilise un modèle pour simuler toutes les informations de pulsation turbulentes. La quantité de calcul est faible, mais la précision est mauvaise. Pour les processus de tourbillon et de flux instables dans la chambre de combustion, les Rans ne peuvent pas répondre aux exigences de la conception raffinée. Pitsch a souligné que la complexité de calcul des LES est entre RAN et DNS, et est actuellement utilisée pour les calculs de combustion turbulente dans des espaces sans restriction avec des nombres de Reynolds moyens et faibles. En raison de la petite échelle de la turbulence dans la zone proche de la chambre de combustion et du nombre élevé de Reynolds de l'écoulement, la quantité de grilles requises pour le calcul de l'EF d'une seule tête de la chambre de combustion se situe à seule des centaines de milliards à des milliards. Une telle consommation de ressources de calcul élevée limite l'utilisation généralisée de LES dans les simulations de la chambre de combustion.
L'établissement de modèles et de méthodes de calcul de haute précision basés sur la très grande simulation de Foucault (VLES) et les cadres de méthode hybride RANS-LE est une tendance importante de la simulation numérique. La méthode Vles développée par Han et al. résout le problème d'une faible efficacité de calcul causée par le filtrage de l'échelle de la grille et la résolution de restrictions de correspondance de l'échelle de turbulence dans les LES traditionnelles, et réalise la modélisation de couplage entre les caractéristiques à échelle multi-échelles de turbulence, les caractéristiques d'évolution transitoire et la résolution de la grille. , Vles ajuste de manière adaptative le rapport entre la solution de turbulence et la modélisation du modèle en fonction des caractéristiques en temps réel de l'évolution de la structure du vortex, réduisant considérablement les coûts de calcul tout en assurant la précision du calcul.
Néanmoins, par rapport aux LES traditionnels, la théorie et les caractéristiques des VLES n'ont pas été largement étudiées et utilisées. Cet article introduit systématiquement la théorie de la modélisation de VLES et ses effets d'application dans divers scénarios physiques liés aux chambres de combustion, favorisant l'application à grande échelle de VLES dans le domaine de la simulation de la chambre de combustion du moteur d'avion.
Grande méthode de simulation de Foucault
L'influence des méthodes de simulation de turbulence sur la consommation et les modèles de ressources informatiques est illustrée à la figure 1. Les méthodes RANS, LES et VLES atteignent toutes la simulation d'écoulement grâce à la modélisation des turbulences. Il convient de noter que la première définition claire de VLES a été donnée par le pape, qui fait référence à "l'échelle du réseau de calcul est trop grossière de sorte que l'énergie cinétique turbulente directement résolue soit inférieure à 80% de l'énergie cinétique turbulente totale". Dans le même temps, la signification des LES données par le pape [6] est "la grille de calcul est très fine de sorte que l'énergie cinétique turbulente directement résolue est supérieure à 80% de l'énergie cinétique turbulente totale". Néanmoins, il convient de noter que le VLES introduit dans cet article est une nouvelle méthode de calcul qui a été rénovée et développée sur la base de la méthode précédente. Bien que les noms soient les mêmes, la nouvelle méthode VLES est essentiellement différente de la méthode VLES définie par Pope. Comme on peut le voir sur la figure, les modes de turbulence traditionnels sont les RAN, les URAN, les Rans / LES, LES et DNS hybrides par ordre de calcul. Dans le cadre du nouveau cadre du modèle, les modes de turbulence sont divisés en RAN, VLES et DNS par ordre de précision de calcul. Autrement dit, la méthode VLES réalise l'unification de plusieurs modes de turbulence traditionnels, et différents modèles transitionnent et se convertissent en douceur en fonction des caractéristiques locales dans les calculs réels.
Simulation des processus physiques typiques dans la chambre de combustion
Très grande simulation de tourbillons d'un fort flux tourbillonnant
La chambre de combustion d'un moteur d'avion adopte généralement des formulaires d'organisation de champ de flux tels que le tourbillon en plusieurs étapes et le tourbillon fort. Le flux de tourbillon est la forme d'écoulement la plus élémentaire dans la chambre de combustion. Étant donné que le tourbillon domine à la fois dans la direction d'écoulement et dans la direction tangentielle, la pulsation turbulente du tourbillon a une anisotropie plus forte que le flux de tuyaux traditionnel, l'écoulement des canaux et l'écoulement du jet. Par conséquent, la simulation numérique du tourbillon pose un grand défi à la méthode de simulation de turbulence. Xia et al. utilisé la méthode VLES pour calculer l'exemple de flux de tourbillon classique fort dans le tube; Dellenback et al. [14] ont mené des expériences de champ d'écoulement sur cet exemple et ont des données expérimentales détaillées. Le nombre de reynolds de flux de l'exemple calculé est 1. 0 × 105 (basé sur le diamètre du tube circulaire) et le nombre de tourbillon est de 1,23. Deux ensembles de grilles structurées sont utilisées dans le calcul. Le nombre total de grilles clairsemées (M1) est d'environ 900, 000 et le nombre total de grilles cryptées (M2) est d'environ 5,1 millions. Les résultats du moment statistique obtenus par calcul sont en outre comparés aux résultats expérimentaux pour vérifier la précision de calcul de la méthode VLES.
La comparaison des résultats de calcul de différentes méthodes et les résultats expérimentaux de la distribution radiale de la vitesse moyenne circonférentielle et de la vitesse pulsante à différentes positions en aval sous un fort flux tourbillonnant sont illustrées à la figure 4. Dans la figure, la vitesse horizontale et verticale est la vitesse de dimension sans dimension et la moyenne du tuyau circulaire dans la moyenne. Comme le montre la figure, le champ d'écoulement montre un vortex composé de type Rankin typique en transition progressivement vers un seul vortex corporel rigide. En comparant le calcul et les résultats expérimentaux, on peut constater que la méthode VLES a une précision de calcul élevée pour la prédiction de la vitesse circonférentielle d'un fort flux tourbillonnant, qui est en bon accord avec la distribution des mesures expérimentales. La méthode RANS traditionnelle a un très grand écart dans le calcul du flux de tourbillon et ne peut pas prédire correctement l'évolution spatiale du champ d'écoulement de tourbillon et de la pulsation turbulente. En comparaison, la méthode VLES a une précision très élevée dans la prédiction du champ de vitesse moyen, le champ de vitesse pulsé et l'évolution spatiale sous un fort flux tourbillonnant complexe, et peut toujours garantir une précision élevée de calcul même à une résolution de grille relativement clairsemée. Pour la prédiction de la vitesse moyenne circonférentielle, les résultats de calcul de la méthode VLES sont fondamentalement cohérents à deux ensembles de résolutions de grille clairsemées et denses.
Grande simulation de Foucault de la combustion turbulente
Afin d'étudier la faisabilité de la méthode VLES pour prédire les problèmes de combustion turbulente [15-16], un modèle de combustion turbulente basé sur la méthode VLES couplée aux collecteurs générés par le flamelet (FGM) a été développé. L'idée de base est de supposer que la flamme turbulente a une structure de flamme laminaire unidimensionnelle localement, et la surface de la flamme turbulente est la moyenne d'ensemble d'une série de surfaces de flamme laminaire. Par conséquent, l'espace de composant de haute dimension peut être cartographié à un modèle d'écoulement de faible dimension composé de plusieurs variables caractéristiques (fraction de mélange, variable de progression de la réaction, etc.). Dans la condition de considérer le mécanisme de réaction détaillé, le nombre d'équations de transport à résoudre est considérablement réduit, réduisant ainsi considérablement le coût de calcul.
Le processus de mise en œuvre spécifique consiste à construire le tableau de données laminaire FGM basé sur la fraction du mélange et les variables de progression de la réaction, considérer l'interaction entre la combustion turbulente en supposant la méthode de la fonction de densité de probabilité pour intégrer la table de données laminaire et donc obtenir la table de données turbulente. Dans le calcul numérique, les équations de transport de la fraction du mélange, les variables de progrès de la réaction et la variance correspondante sont résolues, et les informations sur le champ de combustion sont obtenues en interrogeant le tableau de données turbulent.
Le modèle de combustion turbulente basé sur VLES et MGF a été utilisé pour effectuer des calculs numériques sur la flamme de jet turbulente au méthane / air (flamme D) mesurée par le laboratoire Sandia aux États-Unis, et des comparaisons quantitatives ont été faites avec les données de mesure expérimentales. Le matériau de carburant de l'exemple de la flamme de Sandia D (le nombre de Reynolds est 22400) est un mélange complet de méthane et d'air avec un rapport de volume de 1: 3, la vitesse d'entrée de carburant est d'environ 49,9 m / s, et la vitesse de sillage est d'environ 11,4 m / s. La flamme de service est un mélange de méthane et d'air brûlés, et le matériau de sillage est de l'air pur. Le calcul utilise une grille structurée et le nombre total de grilles est d'environ 1,9 million.
La distribution de la fraction de masse moyenne de différents composants le long de l'axe est illustrée à la figure 5. Les coordonnées horizontales et verticales sur la figure sont respectivement la distance sans dimension (D2 est le diamètre du tube de jet d'entrée) et la fraction de masse sans dimension, respectivement. On peut voir à partir de la figure que la prédiction des principales composantes du processus de combustion par la méthode VLES est généralement en bon accord avec les résultats expérimentaux. La distribution diffusée de la température à différentes positions en aval dans l'espace de fraction du mélange est illustrée à la figure 6. On peut voir à partir de la figure que la tendance de distribution diffusée prédite par la méthode VLES est essentiellement cohérente avec les résultats expérimentaux, et seule la valeur extrême de température calculée est légèrement plus élevée que la valeur expérimentale. La distribution du tourbillon instantané, de la fonction de contrôle de la température et de la résolution calculée par VLES est illustrée à la figure 7, où la ligne continue est prise comme ZST =0. 351. On peut voir à partir de la figure que la zone de jet central présente une forte pulsation turbulente, et à mesure que le champ d'écoulement se développe en aval, l'échelle de la structure du vortex augmente progressivement. Comme on peut le voir sur la figure 7 (b) et (c), dans la plupart des zones de réaction chimique, la fonction de contrôle de la résolution est entre 0 et 1, indiquant que la résolution locale du réseau peut capturer des turbulences à grande échelle et simuler uniquement la turbulence à petite échelle à travers le modèle. À l'heure actuelle, VLES se comporte comme un mode de solution de simulation de Foucault approximatif approximatif. Dans la couche de cisaillement à jet et le bord extérieur de la flamme en aval, la fonction de contrôle de la résolution est proche de 1, indiquant que l'échelle de filtre tronquée de la grille de calcul est plus grande que l'échelle de turbulence locale. À l'heure actuelle, VLES se comporte comme un mode de solution moyen de Reynolds instable. En résumé, on peut voir que la méthode VLES peut réaliser la transformation de plusieurs modes de solution de turbulence en fonction des caractéristiques en temps réel de l'évolution de la structure du vortex, et peut prédire avec précision le processus de combustion instable dans les flammes turbulentes.
Grande simulation de Foucault du processus d'atomisation complet
La majeure partie du carburant utilisé dans la chambre de combustion d'un moteur d'avion est du carburant liquide. Le carburant liquide entre dans la chambre de combustion et subit des processus d'atomisation primaire et d'atomisation secondaire. Il y a de nombreuses difficultés à simuler le processus d'atomisation complet du carburant liquide, y compris la capture de la configuration de l'interface topologique à deux phases de gaz, la déformation et la rupture de la colonne liquide, l'évolution de rupture des bandes liquides et des filaments liquides dans les gouttelettes et l'interaction entre l'écoulement turbulent et les gouttelettes. Huang Ziwei [19] a développé un modèle complet de simulation de processus d'atomisation basé sur la méthode VLES couplée à la méthode de calcul de l'atomisation hybride VOFDPM, réalisant la simulation numérique du processus complet de l'atomisation de carburant de liquide continu à des gouttelettes discrets.
Un modèle de simulation de processus d'atomisation nouvellement développé a été utilisé pour effectuer des calculs numériques de haute précision du processus d'atomisation de la colonne de liquide de flux latéral classique, et une comparaison détaillée a été faite avec les résultats expérimentaux dans la littérature ouverte [2 0] et les grands résultats de calcul de la simulation d'EDDY [21]. Dans l'exemple de calcul, la phase gazeuse est l'air avec des vitesses de 77,89 et 110,0 m / s, respectivement, et la phase liquide est de l'eau liquide avec une vitesse de 8,6 m / s. Les nombres de Weber correspondants sont respectivement de 100 et 200. Afin de mieux simuler le processus de rupture secondaire, le modèle de rupture adopte le modèle Kelvin-Helmholtz et Rayleigh-Taylor (KHRT).
Le processus d'atomisation complet prédit par VLES dans la condition du numéro de Weber 100 est illustré à la figure 8. Comme le montre la figure, une mince feuille de colonne liquide est formée dans la zone initiale, puis la colonne liquide se divise en bandes liquides et filaments liquides, et se divise en gouttelettes par l'action de la rupture aérodynamique, et les droplettes sont plus brisées en gouttelettes plus petites par une rupture aérodynamique. La vitesse du flux et la distribution de tourbillon dans le sens de l'étendue calculée par VLES dans la condition du numéro de Weber 100 sont illustrées à la figure 9. Comme le montre la figure, il y a une zone de recirculation à basse vitesse typique du côté sous-marin de la colonne liquide. On peut trouver à partir de la distribution instantanée de tourbillon que le côté sous-jardin de la colonne liquide présente une forte structure de vortex, et le fort mouvement turbulent dans la zone de recirculation à basse vitesse contribue à la rupture de la feuille de colonne liquide et à la formation de gouttelettes.
Le rapport du diamètre de jet initial à la dimension d'écoulement minimum du jet liquide lorsque la colonne liquide commence à se séparer sous différents nombres de Weber est illustré à la figure 10. Dans la figure, DI est la dimension d'écoulement minimale du jet liquide lorsque la colonne liquide commence à se briser, et D3 est le diamètre de jet liquide initial. On peut voir à partir de la figure que les résultats du calcul VLES sont en bon accord avec les résultats expérimentaux, qui sont meilleurs que les résultats de calcul de simulation de Foucault Large Eddy dans la littérature [21].
Instabilité de la combustion Très grande simulation de tourbillon
Afin de répondre aux exigences de faibles émissions, les chambres de combustion des avions civils sont généralement conçues avec une combustion maigre prémélangée ou partiellement prémélangée. Cependant, la combustion prémélangée maigre a une mauvaise stabilité et est sujette à exciter les modes de combustion d'oscillation couplés thermoacoustiques, conduisant à l'instabilité de la combustion. L'instabilité de la combustion est très destructrice et peut être accompagnée de problèmes tels que le flashback et la déformation solide, qui est un problème de premier plan face à la conception de la chambre de combustion.
Le calcul numérique de l'instabilité de la combustion peut être divisé en deux catégories: méthode de découplage et méthode de couplage direct. La méthode de prédiction d'instabilité de combustion découplée découple les solutions de combustion et acoustiques instables. La combustion instable nécessite un grand nombre d'échantillons de calcul numérique pour construire une fonction de description de flamme fiable. Si la méthode de calcul de simulation de gros bouchons est utilisée, sa consommation de ressources informatiques est trop importante. La méthode de calcul de couplage direct est basée sur la méthode de solution compressible et obtient directement le résultat de l'instabilité de la combustion par un calcul instable de haute précision, c'est-à-dire que le processus de calcul de couplage de combustion et d'acoustique instables dans les conditions de travail donné est terminée à un moment donné dans le même cadre de calcul.
Dans l'étude de la simulation numérique du découplage de l'instabilité de la combustion, Huang et al. [27] ont développé un modèle de calcul d'instabilité de combustion basé sur la méthode VLES couplée à la méthode de calcul de la flamme d'épaississement, et ont obtenu une prédiction précise du processus de combustion instable sous excitation acoustique. L'exemple de calcul est une flamme émoussée à l'éthylène stationnaire / air entièrement prémélangée développée par l'Université de Cambridge, avec un rapport d'équivalence de 0. 55 et un nombre de Reynolds d'environ 17000. La comparaison entre les résultats du calcul VLES et les résultats expérimentaux de la figure de flamme instructive dans le processus acoustique, la figure 12. La flamme roule sur les couches de cisaillement intérieures et externes et évolue en une paire de vortex à contre-rotation. Dans ce processus, l'évolution du profil de flamme en forme de champignon continue de se développer avec le changement de l'angle de phase. Les résultats du calcul VLES reproduisent bien les caractéristiques d'évolution des flammes observées dans l'expérience. La comparaison de l'amplitude et de la différence de phase de la réponse du taux de libération de chaleur sous 160 Hz d'excitation acoustique obtenue par différentes méthodes de calcul et les mesures expérimentales est illustrée à la figure 13. Dans la figure, Q 'et Q͂ sont la libération de chaleur pulsante et la libération moyenne de chaleur de la combustion, respectivement, A est l'amplitude de la différence de réduction de la réduction de la réduction de la phase dans la figure de la figure 13 (B) est la différence de transit de la phase entre la transition transversale, la différence de transit de transit de la figure de la figure 13 (B) est la différence de transit de transit de transit de transit de transit de la figure de la figure 13 (B). Excitation acoustique et signal d'excitation de vitesse d'entrée. Comme on peut le voir sur la figure, la précision de prédiction de la méthode VLES est comparable à la précision de la simulation des EDDE grande [28], et les deux sont en bon accord avec les valeurs expérimentales. Bien que la méthode Rans instable prédit la tendance de la réponse non linéaire, les résultats quantitatifs calculés s'écartent considérablement des valeurs expérimentales. Pour les résultats de la différence de phase (figure 13 (b)), la tendance de la différence de phase prédite par la méthode VLES avec l'amplitude de perturbation est essentiellement cohérente avec les résultats expérimentaux, tandis que les résultats de simulation de Foucault gros ne prédisent pas bien la tendance ci-dessus.
