ISAT在HCCI发动机多维详细反应动力学计算中的应用及其改进

通过非结构化自适应列表法(ISAT)在HCCI发动机多维详细反应动力学计算中的应用,讨论了ISAT的性能。结果表明ISAT相对于直接积分明显地减少了计算时间,并可以有效地控制整体误差。计算中针对HCCI发动机燃烧过程化学反应的特点提出了部分ISAT(PaISAT)方法,大大提高了ISAT的计算精度和加速性能。最后通过使用动态修剪技术,降低了ISAT对内存的占用量。

用多次建表的ISAT方法计算激波诱导火焰失稳

对减少燃烧反应化学计算时间的动态自适应建表(ISAT)方法进行了改进,采用多次建表的方法计算了激波诱导火焰失稳的二维瞬态过程.计算结果表明,ISAT方法与直接积分计算结果以及实验结果吻合较好,能够满足计算精度的要求.多次建表方法在没有降低ISAT方法效率的前提下,可有效限制数据表容量,总CPU计算时间可减少2.53倍,其中化学反应的CPU计算时间则减少3.75倍.对瞬态燃烧问题而言,多次建表ISAT方法提供了减少燃烧化学反应计算时间的有效思路.

煤油简化动力学和ISAT在超燃计算中的应用

利用基于"准稳态"方法建立的模型简化软件包SPARCK,从建立的详细模型出发得到了一个包含22组分18步总包反应的煤油简化动力学模型.简化模型计算得到的点火延迟时间与文献计算结果和实验结果相一致,验证了模型的有效性.采用简化模型和当地自适应建表(ISAT)方法,对超燃冲压发动机进行了二维并行数值模拟,计算得到的壁面压力分布与试验结果吻合较好,表明简化模型能够很好地用来模拟煤油燃料超燃发动机内部的复杂燃烧过程.在并行计算环境下,和直接积分方法相比,该方法将化学反应项的计算速度提高了3.73倍,大大提高了计算效率.

isat在sofc氢氧反应中的应用

现代先进能源系统普遍具有复杂性和多尺度特性,其模拟研究存在的最大问题是计算代价过高。为了提高计算效率,将非结构化自适应建表法(in situ adaptive tabulation,ISAT)与动力学蒙特卡洛法(kinetics Monte Carlo,KMC)相结合,在误差允许的范围内,通过采用近似插值计算代替部分耗时的微观模拟过程,达到减少计算时间的目的。以固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)为例,对其在不同参数条件下氢氧反应过程进行仿真研究。仿真结果表明,在满足精度要求的前提下,所建立起的混合方法相比于单独使用kMC能够有效的缩短计算时间,提高计算效率。

ISAT方法在射流火焰PDF计算中的应用

描述了一种应用于湍流反应流场中,用以减少化学反应计算时间的有效方法———当地自适应建表方法,并对之做了改进,使其可以适用于变时间步长环境下的计算流场.应用此方法计算甲烷/空气湍流射流扩散火焰问题,结果显示同直接数值积分方法比较,当地自适应建表方法可以在保证满足计算精度要求的条件下有效的减少化学反应计算时间.

简化化学反应计算的当地自适应建表方法在PMSR中的应用

本文描述了一种减少化学反应计算时间的有效方法－当地自适应建表方法，对之做了改进，并计算了配对混合搅拌反应器（ＰＭＳＲ）的甲烷／空气非预混燃烧问题。结果表明在各种参数条件下，这种方法都能在保证精度的条件下节省两到三个量级的计算时间。

并行原位自适应建表方法在超燃计算中的应用

分别采用直接积分方法(DI)和并行原位自适应建表方法(ISAT)对二维超声速燃烧室进行了计算,并与试验结果进行了比较。从对比结果可以看出,ISAT方法和DI方法计算的压力和组分分布结果基本一致,壁面压力分布与试验结果相吻合,能够满足计算的精度要求。在本文并行计算环境下,和DI方法相比,在化学反应计算速度上,ISAT方法最低提高了3.34倍,最高达到约40倍。

PDF方法模拟钝体驻定的湍流扩散火焰

采用标量联合的概率密度函数方法,对钝体驻定的湍流射流扩散Sydney火焰HM1进行数值模拟,结合当地自适应建表方法加速化学反应计算,用修正的LRR-IP雷诺应力模型求解速度场.首次对3种不同规模的甲烷化学反应动力学机理进行研究,并与实验数据进行比较,结果表明,模型和反应机理很好地预测了速度场和标量场的变化及局部熄火现象,而考虑反应机理中的C2化学对火焰HM1的影响不大.

脉冲爆轰发动机第一和第二次循环的数值模拟

对脉冲爆轰发动机两次循环工作过程进行轴对称数值模拟,考虑了包含19个基元反应和9种组份的H2-O2-N2详细化学反应动力学机理,通过改进的ISAT方法(动态自适应建表)减少反应化学的计算时间。数值结果显示了脉冲爆轰发动机充气,起爆,卸压和再充气的循环工作过程。根据数值计算结果,详细地讨论了两次循环管内、外流场的结构间的差异。两次循环中管内、外流场结构的差异又导致二者推力和冲量的不同。

钝体驻定湍流扩散火焰局部熄火的PDF模拟

用标量联合的概率密度函数(PDF)方法对钝体驻定的湍流射流扩散Sydney火焰HM3进行数值模拟,速度场用一个修正的LRR-IP雷诺应力模型求解.采用3种不同层次的甲烷反应动力学机理对火焰的宏观结构和熄火特征进行比较研究,并结合当地自适应建表方法加速化学反应计算.结果表明,计算值和实验数据吻合较好,在回流区内,不同反应机理的预测值差别不大,但在"颈部"区域,C2机理相对C1机理可以更准确地模拟标量场的变化和局部熄火现象.

基于动态分区概念的高超声速燃烧大涡模拟

本文基于动态分区概念开展了亿级网格的高马赫数全尺寸超燃冲压发动机内外流耦合一体化改进延迟分离涡(IDDES)模拟研究.研究建立了包括动态分区火焰面湍流燃烧模型(DZFM)、分区自适应化学(ZDAC)和分区并行自适应建表(Z-ISAT)的完整动态分区燃烧模拟框架,并通过1.15亿网格的马赫数12 REST标准高超声速燃烧室模型初步验证了分区模拟框架的保真性.DZFM通过分区解耦的思想既准确表征了当地湍流化学交互作用关系,又有效提升了整场湍流燃烧的计算效率.Z-DAC和Z-ISAT通过在分区框架内对化学反应机理进行动态实时简化和建表查询,可进一步提升当前分区内化学反应的求解效率.基于1.25和1.4亿网格动态分区框架对比分析了马赫数10条件下中心支板(strut)和壁面撑挡型(pylon)两类构型氢气高超声速燃烧室特性.支板或撑挡结构均诱发了明显的边界层分离和头部回流区,由此两种燃烧室均出现了较长区域的喷注点前部燃烧现象.基于Borghi图的数值分析表明当前氢气高超声速燃烧室中广泛存在扩散控制为主的火焰面模式,效率提升的瓶颈在于高效增混.壁面撑挡燃烧室具有较高的穿透深度和近场混合效率,因而燃烧效率高于净推力准则80%,相应的比冲1234 s也远高于中心支板燃烧室的437 s.分区自适应化学方法在将近一半的计算域上降低了反应求解计算代价,特别是在无燃料区反应机理的简化幅度更加明显.相比与传统的有限速率PaSR模型,DZFM模型实现了高达11倍的加速比.

基于多线程并行的动态自适应建表加速算法在气相爆轰模拟中的应用

在带详细化学反应机理的气相爆轰过程数值模拟中,化学反应源项的刚性和非线性会使计算花费大量时间。为了提高化学反应的计算效率同时不降低计算精度,针对包含氢气与氧气详细化学反应机理的二维气相爆轰过程,提出了各线程独自建表和所有线程共有单表两种基于多线程并行的动态自适应建表(ISAT)算法,以取代原始的直接积分(DI),在不损失计算精度的条件下提高计算效率。两种并行算法分别采用了各线程独立建表和所有线程共建单表的方式,以此分析建表方式对计算效率的影响。在此基础上,还分析了建表容差判据和数值格式对计算效率的影响。研究结果表明:基于ISAT的并行算法在所有条件下均能提供与DI结果相当的计算精度,各线程独立建表的计算效率较共建单表的方法有更高的计算效率,其化学反应计算的加速比为2.17~2.43;并行建表算法不仅能够准确地描述二维气相爆轰波的传播过程,还可以提高化学反应流并行计算的计算效率。

加速详细反应动力学计算的ISAT改进方法研究

非结构化自适应列表法（ISAT）方法以其高效、误差可控的突出优点在最近的使用详细反应动力学的燃烧计算中得NT广泛的应用。本文通过对ISAT基本原理的分析，讨论了ISAT存在的问题及改进的方法。在配对混合搅拌反应器（PMSR）和均质压燃（HCCI）发动机中，利用ISAT对不同的改进方案进行了计算比较，讨论了影响ISAT方法性能，如计算时间、内存占用和误差控制等方面的因素。结果表明逆向搜索方法可以显著提高ISAT的加速比，动态存储库方法可以人大降低内存的占用量。

详细化学反应动力学动态自适应加速

详细化学反应机理应用于三维、高度瞬态的湍流燃烧数值模拟时,计算成本巨大.为此,本文提出了一种基于动态自适应建表(ISAT)和动态自适应化学(DAC)的化学反应动力学动态自适应加速方法.该方法基于组分空间的低维流形特性,采用主成分分析法将燃烧区域中的网格节点(或颗粒)从组分空间向低维空间内投影,根据投影点在低维空间内的概率密度函数来刻画系统的非均匀性,进而自适应地选择ISAT和DAC进行加速.本文通过设置内燃机模拟算例,使用甲烷GRI Mech3.0机理,初步验证了新方法的性能。计算结果表明,在保证计算精度的同时,新方法具有明显的加速优势。对于包含500个颗粒的内燃机模拟算例,加速因子可以达到使用ISAT的2.7倍、DAC的1.7倍、固定ISAT-DAC联合的1.8倍。