燃烧的数值模拟专题.doc

燃烧的数值模拟专题转自江苏省内燃机学会论坛内燃机等应用专业的人从事燃烧数值模拟研究的痛苦、挣扎与解脱内燃机等应用专业的人从事燃烧数值模拟研究有巨大的痛苦，不象上世纪80年代和90年代处，只要拥有程序或软件，加上会使用，能够反复出论文，让人羡慕。之后，情况发生了很大变化，各种相关程序或软件层出不穷，程序或软件来源渠道广泛， 燃烧数值模拟不再具有垄断性，从事实验研究的人也可以用用相关软件，纯粹进行燃烧数值模拟的人发论文越来越难，尤其是高水平论文， “程序等是别人的，你的贡献在那里？有无实验验证，。”等魔咒始终笼罩着你。由于内燃机等应用专业的人大多不是正宗流体动力学或相关应用数学等专业出身，改程序或推出程序（作出创新性贡献）谈何容易，我们陷入了痛苦和挣扎。 数年前，当数值模拟的人还有些吃香的时候，我对我的学生说过，你只能用现有软件去算工程上的一些算例，如不尽快开发自已有特色的东西，吃饭饭碗难保，现在这种观点逐步成为现实。 我做过多年KIVA，可以说非常熟悉它，对KIVA进行过大量改造，由于KIVA的复杂性，一动百动，每次改造都化费了大量心血，但产出甚少。 是否是内燃机等应用专业的人不适合从事纯粹的燃烧数值模拟研究？其实，内燃机等应用专业的人有其知识面宽广等优点，我现在的观点是，如果你用某一软件或对一程序进行艰苦的努力，仍不能取得成果上的很好回报，放弃它，人生苦短，我们需要重新定位，如果仍坚定数值模拟方向，是否需要在有关燃烧数值模拟这样一个越来越大的领域中找到自已的一席之地，吃碗“安心饭”，趁年轻时找到它，我等已老矣！ 个人意见，仅供参考！ 中国科技大学火灾科学国家重点实验室 蒋勇大家好！有同学问：蒋老师，看了您的这么多帖子，我感觉似乎我们学内燃机的，要想采用某种软件模拟缸内的燃烧过程，特别是想利用chemkin来模拟缸内的燃烧，好像是行不通的，因为两种燃烧的最基本类型就不是一样的，chemkin是零维的，而缸内无疑是多维的，还有燃烧速率的问题。那么，我们要想利用chemkin在柴油机上做点文章，该如何下手呢？毕竟进行小火焰的模拟不是我们的主业。期待蒋老师的解答，谢谢。回答：【1】内燃机燃烧本质上是多维湍流燃烧，但内燃机燃烧数值模拟有零维模拟、准维模拟和多维模拟，不同模拟方式获得的信息不一样，比如零维模拟不可能研究湍流脉动、结构等等对燃烧的影响，但它可以重点研究化学反应动力学等方面的问题，这样当然可以采用CHEMKIN软件，但模拟结果的适用范围要注意，比如你获得了NOX排放，你要注意，这个NOX数据是在某个压力和温度下获得的，是均质层流燃烧背景，但往往够用了，这样的话，你当然不再需要多维计算。再举个例子，如果你对缸内的“VORTEX SHEDDING”等现象感兴趣，二维模拟都不行，你只能进行三维模拟。非常重要的是：研究目标取决于研究手段。【2】湍流燃烧模型问题。小火焰是湍流燃烧模型的一种。如果你要进行缸内多维燃烧模拟，湍流燃烧模型你就回避不了，如果你采用FLUENT、STAR-CD、PHOENICS等商用软件，你当然可以根据需要，选取里面合适的湍流燃烧模型；如果你要开发相应程序，必须考虑湍流燃烧模型问题。【3】燃烧数值模拟研究问题。燃烧学界包括内燃机专业，不能认为小火焰等模型问题与我们无关，只要你搞燃烧数值模拟，它们就是你的主业，这方面我深有教训。我以为，软件应用不等同于进行燃烧数值模拟研究，同时，不能对湍流问题和湍流燃烧问题的进行深入学习和理解，对内燃机燃烧数值模拟也不太可能作到高水平。确实，燃烧数值模拟研究者非常辛苦。 中国科技大学 蒋勇一名老校友的有关内燃机燃烧过程一名老校友的有关内燃机燃烧数值模拟研究的一点想法看了一下本论坛，觉得办得很好，作为江大内燃机老校友，提几个问题，供大家讨论和批判：【1】内燃机燃烧过程是湍流燃烧，而湍流燃烧理论和数值模拟的核心困难和问题在哪里。【2】目前商用和通用软件很多，如FLUENT,STAR-CD,CHEMKIN,KIVA等，这些商用和通用软件中的算法和模型并不是目前国际上先进的东西，如果要用这些商用和通用软件，其重点是否应放在对未知或仍不清楚的现象的计算上，而不是对一般现象的重复研究上。【3】目前国际上相应的先进算法和模型有哪些，研究中是否需要实现这些前沿技术，用它或商用（通用软件）来计算同一问题，结论会不会不同。 中国科技大学火灾科学国家重点实验室蒋勇 谈谈多维燃烧计算程序与CHEMKIN的耦合大家好！我这里所说的多维燃烧计算程序通称“KIVA”、FIRE，等软件。有许多同学希望计算生物柴油等，所以关心多维燃烧计算程序与CHEMKIN的耦合，其实，我记得在我发过的一个帖子中解释了该问题，为清楚起见，现重新解释如下：有同学问：“将其动力学文件CHEM.INP、热物性文件THERM.DAT、和输运文件TRAN.DAT“整合”成一个文件然后在“多维燃烧计算程序”中进行计算，不知道这样理解是否正确？回答：很不全面。要理解它，要首先知道：CHEMKIN中的燃烧速率计算并没有考虑湍流脉动对燃烧速率的影响，而内燃机中的燃烧无疑是湍流燃烧。所以，如果单纯（或直接）调用CHEMKIN中的某模块或函数来计算燃烧速率，肯定有问题，除非你的计算网格和时间步长极小，类似直接数值模拟，但需要超级计算机。 所以，你必须面对湍流燃烧模型，现在的湍流燃烧模型很多，你可以选取，在确定湍流燃烧模型后，要编程，编程时可以调用CHEMKIN中的库函数或模块，来实现湍流燃烧功能。举个例子，内燃机中的湍流燃烧计算类似盖楼，CHEMKIN中提供了大量的建筑材料，你必须根据设计（某个湍流燃烧模型），将建筑材料有机地排列好。 顺便说一句，有同学问：湍流燃烧模型应该怎样选择？这个问题太大，由于不同湍流燃烧模型的特点、应用场合不同，没有统一的答案。 中国科技大学 蒋勇 耦合燃料复杂机理的燃烧模拟有同学问，我在前些天所说的“内燃机缸内燃烧的Reynolds数较高，模拟计算的量很大，对硬件要求极高”，而有论文的计算采用了几千步的反应机理，为什么能计算呢？非常高兴能提出问题，现解答如下：要注意，这些论文一般采用了纯粹的CHEMKIN来计算，维数为零维或一维，并且是层流燃烧计算。我前些天所指的是针对缸内的多维湍流燃烧计算，并且是采用直接模拟或大涡模拟。对于均质各向同性三维非定常的湍流燃烧直接模拟，通过严格的理论分析，所需的计算网格是Reynolds数的3次方，大涡模拟的要求稍低，但其计算量也是十分巨大。但采用RANS方法进行计算，如KIVA，则计算量可大大降低。如果要进行耦合燃料复杂机理的多维湍流燃烧模拟，即使是RANS方法，其计算量也很大，主要原因是：各基元反应的反应特征时间相差巨大（除了氢气等非常简单的燃料），再加上湍流-化学之间的刚性问题。目前已有的一些论文称，进行了耦合燃料复杂机理的多维湍流燃烧模拟，并且仅使用了一般高性能微机，我个人认为，计算结果值得怀疑，因为背离了严格的理论分析结论。说到这里，顺便提及，没有较为坚实的理论和较为深入的对相关机理的认识，搞好工程应用，也是有难度的。个人观点，仅供参考！ 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室 蒋勇 我们需要做点什么？首先非常感谢论坛给我设了专区，我理解是对老校友的偏爱！ 许多师弟师妹正在做或打算做内燃机缸内燃烧数值模拟，你回避不了的问题是，“需要做点什么方面的研究？”，既然回避不掉，不如静下心来再想想。 做研究就要出成果，无论是高质量的SCI. Ei.论文或发明专利，搞数值模拟出专利很难，我们不去谈它，但高质量的SCI. Ei.论文还是需要的，不管你对此有无看法，可能还得按此去做，让你去搞科研评价体系，你也难办。 到底如何做内燃机数值模拟？我们不仿从高水平期刊的审稿人的角度去分析，无外乎，【1】是否使用了前沿技术；【2】是否发展了相关模型；【3】计算对象是否还是目前不明确的现象。如果你三者都不沾边，无法获得好的评价，因此，有的同学很辛苦地算来算去，程序改来改去，收获不大。 举个例子，许多师弟师妹很想作大涡模拟，想将某个大型程序改成能作大涡模拟，我可以预料，你化很多精力和时间也未必能真正进入“大涡模拟的天堂”。为什么不写一个简洁的程序去研究大涡模拟呢？其实国内外许多进行大涡模拟非常有造诣的“大家”在研究简单的槽道流动（纯流动问题，边界简单，网格不动）的大涡模拟，由于回避了燃烧、动边界，复杂边界，柱坐标，等等问题，他们的注意力可以集中于核心的动力学大涡模型、求解策略等的发展上，这样的研究成果具有高水平，对大涡模拟技术的发展具有引领作用，发展出的模型或方法当然可以应用于内燃机研究。 个人观点，仅供参考！ 中国科技大学 蒋勇 内燃机燃烧数值模拟与“泛燃烧”数值模拟师弟师妹们好! 有些天没有和大家交流了。这里的 “泛燃烧”是我造出来的词，我这里的“泛燃烧”笼统地指预混燃烧、扩散燃烧和部分预混燃烧。在和内燃机专业从事数值模拟的校友们交流时，发现大家总体比较重视应用，即数值模拟在内燃机中的应用，这很好，但恕我直言，对“泛燃烧”数值模拟的核心问题重视不够。其实，内燃机燃烧也好、锅炉内燃烧也好、等等，它们的共性就是“泛燃烧”，而“个性”对于燃烧数值模拟的人来说，只是由于初始和边界条件不同造成的，这也是FLUENT、STAR-CD、PHOENICS等程序可以成为通用软件的原因。我个人认为，对于研究者来说，共性问题的研究更加重要。由于FLUENT、STAR-CD、PHOENICS等程序需要考虑通用性等等原因，其中的燃烧等模型或方法并非目前前沿技术，这给了大家充分的空间去研究，燃烧数值模拟有许多点值得关注。 个人意见，仅供参考！ 中国科技大学 蒋勇 穷人做燃烧数值模拟研究可能由于是老校友的原因，在本论坛上发的几个贴子得到了老校友和师弟师妹们的一点共鸣，非常感谢！也想和大家能够经常交流。 许多人认为，只要有台计算机就可以作燃烧数值模拟，这在很早前或许是对的。但目前燃烧数值模拟越来越变成“富人和贵族的运动”，大家都知道直接数值模拟和大涡模拟是目前的先进技术，但一个简单的、中等Reynolds数、真正意义上的、简单燃料甲烷4步反应的三维射流火焰的直接数值模拟和大涡模拟，实际上需要数百CPU的并行计算机，进行数月的计算（见有关高端文献）。我曾经作过二维单步反应，Reynolds数仅为1500的射流火焰直接数值模拟，使用8-CPU并行计算机，一轮的计算时间为2个月左右。由于内燃机缸内燃烧的Reynolds数较高，要进行直接数值模拟和大涡模拟，所需的计算量更大，对硬件的要求极高。不说相关并行软件开发需要艰苦的劳动，这样的硬件条件国内大多地方不具备。我曾经发展过三维射流火焰直接数值模拟程序，其中采用了较多国际上的前沿算法，但由于硬件条件，无法发出高端论文。从某种意义上说，硬件条件决定了你的计算水平和论文档次。 但我们这些穷人不能无所作为，痛苦之余仍想拼搏在燃烧数值模拟研究领域，研究水平还不能低。作什么好呢？我想并非走投无路，对国际上该领域的研究作一番深入细致的分析，其实有太多点可以有所作为。 我举一个例子，供大家参考和批判！主攻一：KIVA+小火焰【1】将KIVA程序加上一个标量耗散率方程；【2】编程求解拉格朗日型的非稳态小火焰，这其中，需要用到CHEMKIN。求解结果制表；【3】根据KIVA求解结果，再根据上述表格，可获得热力学参数等。这样的程序已充分考虑到湍流燃烧模型，以及燃料详细机理（克服了KIVA和CHEMKIN的致命缺点），。拉格朗日型的非稳态小火焰方程的求解本身也体现出先进性（其本身的研究在一些高水平的刊物上可大量见到）。我个人认为这样的工作的“性价比”（投入产出）较高！ 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室 蒋勇 谈谈大涡模拟LES的理论依据大涡模拟的理论依据在于湍流涡旋尺度可分为含能尺度、惯性尺度和耗散尺度，含能尺度结构受边界等影响，而耗散尺度具有共性，因此可以作模型。所以严格的大涡模拟的计算网格大小应比耗散尺度略大，而Reynolds数越大，耗散尺度越小，因此，计算网格越小，计算量越大，在我以前的讨论中，认为将KIVA改为大涡模拟，如要进行三维计算，需要强大的计算硬件条件作保证就是这个道理。中国科学技术大学 蒋勇 KIVA+LES将KIVA程序修改为能够进行大涡模拟LES，是引人入胜的，也是我多年的愿望。将KIVA程序修改为能够进行大涡模拟LES，有五点值得大家考虑：【1】大涡模拟LES的计算量仅次于直接模拟，但它的计算量还是很大，由于缸内的Reynolds数很大，三维的LES的计算量将很大，或许需要强大的高性能的并行机；【2】如果还要考虑燃烧，将面临湍流燃烧模型（过滤反应源项）的模化难题，不能用原KIVA中的燃烧来计算；【3