湍流燃烧高精度数值模拟软件开发及射流燃烧DNS-李新亮

湍流燃烧高精度软件开发及超声速射流燃烧DNS,李新亮中国科学院力学研究所lixl,庆新春流体力学研讨会2017,1,一、背景,1.湍流燃烧基础研究：应用需求、流体力学前沿,湍流燃烧流动机理；湍流燃烧计算模型；湍流燃烧控制技术；,湍流,燃烧,2,一、背景,2.湍流燃烧DNS重要工具,Reynolds平均（RANS）大涡模拟（LES）直接数值模拟（DNS）,浙江大学、29基地、北大、清华、,DNS:无需湍流模型/湍流燃烧相互作用模型;,化学反应源项；模型化更为复杂,难点：计算量大（无燃烧DNS）；对数值方法要求苛刻；对物理、化学模型精度要求高；,3,3.OpenCFD：本课题组开发的一套开源高精度CFD程序,OpenCFD-SC:高精度差分求解器,OpenCFD-EC:多块结构网格有限体积求解器,OpenCFD-Comb:复杂化学反应流动求解器（差分）,傅德薰，马延文，李新亮等，可压缩湍流直接数值模拟，科学出版社XinliangLi,DexunFu,YanwenMaandXianLiang,Directnumericalsimulationofcompressibleturbulentflows.ActaMechanicaSinica2010,26(6):795-806XinliangLi,DexunFuandYanwenMa,Directnumericalsimulationofhypersonicboundarylayertransitionoverabluntconewithasmallangleofattack,PhysicsofFluids22，025105，2010,4,二、高精度燃烧数值模拟软件OpenCFD-Comb,OpenCFDcodeforCombustionFlows,算法：高精度差分+基元反应+时间分裂方法,Chemkin-like化学反应机理接口；Chemkin热力学模型、物理模型（粘性、热导、扩散系数）高精度差分方法：OMP6,GVC,WENO7高阶滤波，保证计算稳定性；MPI并行，可扩展到百万CPU规模；,化学反应源项,源项计算“小步快跑”,5,测试算例1.（0维）H2+O2+N2燃烧问题,880K,0.3atm,0.5%H2+0.5%O2,933K,3.4atm,1.01%H2+0.52%O2,H2,O2,H2摩尔组分随时间的变化,与实验结果吻合较好,1.J.Li,Z.Zhao,A.Kazakov,F.L.Dryer,Anupdatedcomprehensivekineticmodelofhydrogencombustion,Int.J.Chem.Kinet.36(2004)566575.,6,测试算例3.二维管道中的爆轰波问题,管道中的爆轰过程,测试算例2.1维爆轰波传播问题,一维管道H2+O2爆轰,1.李廷文，王健平，叶朝晖，基元化学反应一维爆轰波的数值模拟，空气动力学报，25（2），199-204,2007,1,7,测试4：真实气体效应湍流的DNS（三维）,目标：探索真实气体效应以及化学反应对湍流的影响，改进计算模型；,前期研究：真实气体槽道湍流DNS,氧原子浓度分布,CHENXiao-Ping，LIXin-Liang，DirectNumericalSimulationofChemicalNon-EquilibriumTurbulentFlow，ChinesePhysicalLetters,Vol.30,No.6(2013)064702,8,三、超声速射流燃烧DNS,计算条件射流速度：904m/s;射流温度：305K;射流组分：85%H2+15%N2伴流速度:20m/s伴流温度：1150K伴流组分：空气21%O2+79%N2,1.计算模型Mach1.2超声速射流燃烧1,1.LuShuqiang,FanJianren,LuoKun,High-fidelityresolutionofthecharacteristicstructuresofasupersonichydrogenjetflamewithheatedco-flowair,Int.J.HydrogenEnergy,37(4):3528-3539,2012（浙江大学樊建人、罗坤课题组）,9,三、超声速射流燃烧DNS,2.计算方法,1.Xin-liangLi,YanLeng,Zhi-weiHe.OptimizedSixth-orderMonotonicity-PreservingSchemebyNonlinearSpectralAnalysisInternationalJournalforNumericalMethodsinFluids,2013;73:560572.J.Li,Z.Zhao,A.Kazakov,F.L.Dryer,Anupdatedecomprehensivekineticmodelofhydrogencombustion,Int.J.Chem.Kinet.36(2004)566575.,OMP6格式1（6阶优化保单调）9组分19反应模型2O，O2，H2,H2O,OH,H,HO2,H2O2,N2粘性系数、热传导系数、扩散系数采用Chemkin拟合公式计算网格670*459*459（1.4亿）时间步长10-8秒，每步5次化学反应推进；,10,三、超声速射流燃烧DNS,3.结果验证,x/D=8及x/D=12处的平均速度剖面,1.LuShuqiang,FanJianren,LuoKun,High-fidelityresolutionofthecharacteristicstructuresofasupersonichydrogenjetflamewithheatedco-flowair,Int.J.HydrogenEnergy,37(4):3528-3539,2012,11,4.结果分析,1）流场可视化,层流扩散火焰,湍流火焰,12,动画演示：中截面处的温度分布,13,扩散系数模型的影响,方法1：常Schmidt数假设（工程常用）,方法2：使用Chemkin拟合公式,方法2,方法1,中截面处的温度场,计算结果：方法1低估了H2组分的扩散，根部火焰有误差,14,数值纹影图（contourof）,三、超声速射流燃烧DNS,15,动画演示：数值纹影,三、超声速射流燃烧DNS,16,速度散度云图（近场声）,三、超声速射流燃烧DNS,17,三、超声速射流燃烧DNS,动画演示：速度散度,18,三、超声速射流燃烧DNS,动画：生成物H2O分布,动画：燃烧组分OH分布,19,三、超声速射流燃烧DNS,组分HO2分布（自点火相关组分）,H2+O2=HO2+H,20,流场中拟序涡分布（Q等值面，温度染色）,21,三、超声速射流燃烧DNS,动画演示：流场涡结构,22,三、超声速射流燃烧DNS,中截面上的温度分布,2）燃烧对转捩及涡结构影响,燃烧延缓涡破碎；燃烧推迟转捩；,23,三、超声速射流燃烧DNS,瞬时流向速度分布,燃烧使得射流核心区更长,24,ReactionON,ReactionOFF,流场中拟序涡分布（Q等值面，温度染色）,1）燃烧推迟转捩；2）燃烧涡尺度大；3）涡环形态不同,25,三、超声速射流燃烧DNS,3）湍流脉动PDF特性,采样区间：13Dx15D;-0.5Dy0.5D-0.5Dz0.5D时间跨度：0.12ms(75D/U)湍流充分发展区；射流中心区；,采样区间示意图,26,三、超声速射流燃烧DNS,密度及压力脉动的概率密度函数分布,化学反应促进了密度及压力强脉动的出现,27,三、超声速射流燃烧DNS,流向速度概率密度函数分布,强脉动出现概率增加,28,开发了燃烧高精度数值模拟程序OpenCFD-Comb,进行了Mach1.2超声速射流DNS;,燃烧使得湍流