湍流燃烧高精度数值模拟软件开发及射流燃烧DNS课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,湍流燃烧高精度软件开发及,超声速射流燃烧,DNS,1,湍流燃烧高精度软件开发及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1.湍流燃烧基础研究：应用需求、流体力学前,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；,3,一、背景2.湍流燃烧DNS 重要工具 Re,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,Xinliang Li,Dexun Fu,Yanwen Ma and Xian Liang,Direct numerical simulation of compressible turbulent flows.Acta Mechanica Sinica 2010,26(6):795-806,Xinliang Li,Dexun Fu and Yanwen Ma,Direct numerical simulation of hypersonic boundary layer transition over a blunt cone with a small angle of attack,Physics of Fluids 22,，,025105,，,2010,4,3.OpenCFD：本课题组开发的一套开源高精度CFD,二、高精度燃烧数值模拟软件,OpenCFD-Comb,Open CFD,code for,Comb,ustion Flows,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”,5,二、高精度燃烧数值模拟软件 OpenCFD-CombOpen,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,An update dcomprehensive kinetic model of hydrogen combustion,Int.J.Chem.Kinet.36(2004)566575.,6,测试算例1.（0 维）H2+O2+N2 燃烧,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,测试算例3.二维管道中的爆轰波问题 管道中的爆轰过程 测,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,CHEN Xiao-Ping,，,LI Xin-Liang,，,Direct Numerical Simulation of Chemical Non-Equilibrium Turbulent Flow,，,Chinese Physical Letters,Vol.30,No.6(2013)064702,8,测试4：真实气体效应湍流的DNS（三维）目标：探索真实,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,Mach 1.2,超声速射流燃烧,1,1.,Lu Shuqiang,Fan Jianren,Luo Kun,High-fidelity resolution of the characteristic structures of a supersonic hydrogen jet flame with heated co-flow air,Int.J.Hydrogen Energy,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 计算条件1.计算模型 1.,三、超声速射流燃烧,DNS,2.,计算方法,1.Xin-liang Li,Yan Leng,Zhi-wei He.Optimized Sixth-order Monotonicity-Preserving Scheme by Nonlinear Spectral Analysis International Journal for Numerical Methods in Fluids,2013;73:56057,2.J.Li,Z.Zhao,A.Kazakov,F.L.Dryer,An update decomprehensive kinetic model of hydrogen combustion,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,2,O,，,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DNS2.计算方法1.Xin-li,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.,Lu Shuqiang,Fan Jianren,Luo Kun,High-fidelity resolution of the characteristic structures of a supersonic hydrogen jet flame with heated co-flow air,Int.J.Hydrogen Energy,37(4):3528-3539,2012,11,三、超声速射流燃烧DNS3.结果验证x/D=8 及 x,4.,结果分析,1,）流场可视化,层流扩散火焰,湍流火焰,12,4.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,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,扩散系数模型的影响方法1：常Schmidt数假设（工程,数值纹影图,（,contour of,）,三、超声速射流燃烧,DNS,15,数值纹影图（contour of ）三、,动画演示：数值纹影,三、超声速射流燃烧,DNS,16,动画演示：数值纹影三、超声速射流燃烧DNS16,速度散度云图（近场声）,三、超声速射流燃烧,DNS,17,速度散度云图（近场声）三、超声速射流燃烧DNS17,三、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动画：动画：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,20,三、超声速射流燃烧DNS组分HO2分布（自点火相关组分）,流场中拟序涡分布（,Q,等值面，温度染色）,21,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中截面上的温度分布2）燃烧对转捩,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,24,三、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,Reaction ON,Reaction OFF,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,Reaction ONReaction OFF流场中拟序涡分,三、超声速射流燃烧,DNS,3,）湍流脉动,PDF,特性,采样区间：,13 D x 15D;,-0.5Dy0.5D,-0.5Dz0.5D,时间跨度,：,0.12ms,(75 D/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DNS3）湍流脉动 PDF 特性采样区,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密度及压力脉动的概率密度函数分布化,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,28,三、超声速射流燃烧DNS流向速度概率密度函数分布 强脉动出,开发了燃烧高精度数值模拟程序,OpenCFD-Comb,进行了,Mach 1.2,超声速射流,DNS;,燃烧使得湍流涡结构更加完整，推迟了射流转捩；,充分发展区，燃烧使得强脉动出现概率更高；,组分扩散系数对射流根部火焰形态影响明显；,29,小 结,开发了燃烧高精度数值模拟程序OpenCFD-Comb,进行,30,小 结,感谢庆新春流体力学研讨会组委会；,感谢自然科学基金重大研究计划“面向发动机湍流燃烧”项目、面上项目“可扩展高精度,CFD,软件开发”资助；,感谢合作者 于长平副研究员、康健、符耀威同学；,祝新年快乐，万事如意！,30小 结感谢庆新春流体力学研讨会组委会；祝新年快乐，万,