湍流燃烧高精度数值模拟软件开发及射流燃烧DNS-李新亮

i t
iu x
x
( Di
ci x
)
方法1： 常Schmidt数假设 （工程常用）
Sci Di
✓方法2： 使用Chemkin拟合公式
4
ln Dkj d n,kj (ln T )n1 n1
Dkm
1 Xk
K
X j / Djk
j1, jk
➢ 计算结果： 方法1 低估了H2组分的扩散， 根部火焰有误差
25
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; -0.5D<y<0.5D -0.5D<z<0.5D
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
PDF PDF
三、 超声速射流燃烧DNS
101 100
✓燃烧延缓涡破碎； ✓燃烧推迟转捩；
中截面上的温度分布
23
三、 超声速射流燃烧DNS
✓燃烧使得射 流核心区更长
瞬时流向速度分布
24
Reaction ON Reaction OFF
1）燃烧推迟转捩； 2）燃烧涡尺度大； 3）涡环形态不同
流场中拟序涡分布 （Q等值面，温度染色） Q 51010 s4
27
三、 超声速射流燃烧DNS
101
100
PDF
10-1
10-2 10-3
Reaction ON Reaction OFF
-4
-2
0
2
4
u' / u rms
流向速度概率密度函数分布
✓ 强脉动出现概率增加
28
小结
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;
9
三、 超声速射流燃烧DNS
2. 计算方法
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；
➢ 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
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, An update dcomprehensive kinetic model of hydrogen combustion, Int.J.Chem.Kinet.36(2004) 5666–575.
三、 超声速射流燃烧DNS
1. 计算模型 Mach 1.2 超声速射流燃烧 [1]
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. 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）
4
二、高精度燃烧数值模拟软件 OpenCFD-Comb
Open CFD code for Combustion Flows
算法： 高精度差分 + 基元反应 + 时间分裂方法
U (F Fv ) (G Gv ) (H Hv ) S(U )
t
x
y
z
L1 :
U (F Fv ) (G Gv ) (H Hv ) 0
Reaction ON Reaction OFF
101 100
10-1
10-1
10-2
10-2
Reaction ON Reaction OFF
10-3
10-3 -4 -2
0
2
4
6
8
' rms
-6 -4 -2 0 2 4 6
p' / p rms
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
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）
Q 51010 s4
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
2） 燃烧对转捩及 涡结构影响
N
j / M j vji kri (T )
N
j
/
M
j
vji
(vij
vij )
i 1
j1
j 1
浙江大学、29基地、北大、清华、……
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）
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; 73:560–57 2. J.Li, Z.Zhao, A. Kazakov, F.L.Dryer, An update decomprehensive kinetic model of hydrogen combustion, Int.J.Chem.Kinet.36(2004) 51606–575.
➢ 测试算例2.
一维管道 H2+O2爆轰
1维爆轰波传播问题
2000 1500 1000
u (m/s)
500
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
x (m)
[1]
测试算例3. 二维管道中的爆轰波问题
管道中的爆轰过程
7
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
祝新年快乐，万事如意 ！
30
方法2
方法1
中截面处的温度场
14
三、 超声速射流燃烧DNS
数值纹影图 （contour of ）
15
三、 超声速射流燃烧DNS
动画演示： 数值纹影
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三、 超声速射流燃烧DNS
速度散度云图 （近场声）
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三、 超声速射流燃烧DNS
动画演示： 速度散度
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三、 超声速射流燃烧DNS
动画： 生成物H2O分布
t
x
y
z
化学反应源项
L2 :
U S(U ) t
L(t)
L1
t 2
M m1
L2
t M
L1
t 2
源项计算 “小步快跑”
➢ 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；
hydrogen jet flame with heated co-flow air, Int. J. Hydrogen Energy, 37(4): 3528-3539, 2012
11
4. 结果分析 1） 流场可视化
层流扩散火焰
wenku.baidu.com
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
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 Phys8ical Letters, Vol. 30, No. 6 (2013) 064702
1) 燃烧使得湍流涡结构更加完整，推迟了射流转捩； 2) 充分发展区， 燃烧使得强脉动出现概率更高； 3) 组分扩散系数对射流根部火焰形态影响明显；
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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；
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
湍流燃烧高精度软件开发及 超声速射流燃烧DNS
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）
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；
(i) (i)u j
(
c
(i)
)
c ij
(i)
t
xj x j Sc xj xj
i
L
k fi (T )