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采用详细化学反应机理是提高湍流燃烧大涡模拟(LES)精度的重要途径,但这将使燃烧化学反应常微分方程组(ODE)的求解耗时增大。一方面是因为详细化学反应机理中组分和基元反应数量庞大,导致需要求解的化学反应ODE的数量多;另一方面是因为化学反应ODE刚性很大,需要使用刚性ODE求解方法。因此,本文针对以上两方面困难,探究用于湍流燃烧LES的详细化学反应机理的加速算法。研究加速算法,有利于实现高精度和高时效性的湍流燃烧数值模拟,从而指导高效率、低污染工业燃烧器设计。针对详细化学反应机理规模较大的问题,可以通过使用化学反应机理简化的方法来降低机理中组分和基元反应数量。本文将自相关动态自适应化学(CoDAC)简化算法耦合到本课题组的燃烧数值模拟程序,并应用于一维层流预混火焰的数值模拟和湍流射流火焰(Sandia Flame-D)的LES。对比了使用和不使用CoDAC简化得到的计算结果的准确性和计算加速性,并分析了CoDAC在湍流燃烧场中的特性。一维层流预混火焰的研究结果表明,使用CoDAC简化可以准确模拟氢气和合成气复杂的的反应极限变化特性,其计算准确性和计算速度与简化阈值相关,计算误差随简化阈值的增大而增大,计算时间随简化阈值的增大而减小。湍流射流火焰的LES结果表明CoDAC可以准确模拟湍流非预混湍流火焰的速度、温度分布特性以及重要自由基和中间组分的变化。CoDAC简化的加速效果与当地燃烧特性有关。在LES中使用CoDAC可以使化学反应ODE计算时间总体下降29%,这与带配对混合的部分搅拌反应器(PaSR)模型预测的时间减少量基本相同(28%),但明显小于CoDAC在自着火问题中的减少量(71%),这主要是由于在并行LES中,化学反应的计算负载不均衡,且CoDAC在火焰反应区加速效果下降的原因导致的。具体地说,CoDAC在燃烧化学反应不活跃的地方加速效果好,而在反应活跃的地方加速效果差,导致不同处理器核心负载不均匀程度加剧,浪费计算资源。提高刚性ODE的求解速度可以全面加速燃烧数值模拟中化学反应问题的计算。本文基于指数积分格式和Krylov子空间近似方法发展了适用于燃烧数值模拟的EIKS(Exponential Integrator in Krylov Subspace)方法,并将其应用于自着火数值模拟,对比了EIKS和燃烧数值模拟中广泛使用的使用向后差分格式的刚性ODE求解器DVODE的准确性和加速性。结果表明EIKS相比于DVODE有显著的加速效果,当耦合多时间尺度法和CoDAC算法时,加速因子可达7.26,具有很好的应用前景。但EIKS的准确性受舍入误差影响较大。因此,本文针对EIKS的舍入误差控制进行了改进,引入Schur分解,发展了EISKA(Exponential Integrator with Schur-Krylov Approximation)方法。将EISKA应用于带配对混合的PaSR模型数值模拟和湍流射流火焰(Sandia Flame-D)的LES,验证了其相比于DVODE的准确性和加速性,并分析了EISKA在湍流燃烧场中不同区域的加速效果。结果表明EISKA方法相比于DVODE在可以在同等精度下实现化学反应计算加速。在带配对混合的PaSR模型问题中,对于改进的Li机理、GRI-Mech 3.0机理和USC Mech Ⅱ机理,在保证相同精度的情况下,EISKA的加速因子最高分别可达1.99、2.61和2.19。在Sandia Flame-D的LES中EISKA方法相比于DVODE化学反应ODE的加速因子为2.35,并降低了并行计算中各个处理器核心之间负载的差别。