面向湍流燃烧大涡模拟的详细化学反应机理加速算法研究
发布时间：2023-04-02 12:12
采用详细化学反应机理是提高湍流燃烧大涡模拟(LES)精度的重要途径,但这将使燃烧化学反应常微分方程组(ODE)的求解耗时增大。一方面是因为详细化学反应机理中组分和基元反应数量庞大,导致需要求解的化学反应ODE的数量多;另一方面是因为化学反应ODE刚性很大,需要使用刚性ODE求解方法。因此,本文针对以上两方面困难,探究用于湍流燃烧LES的详细化学反应机理的加速算法。研究加速算法,有利于实现高精度和高时效性的湍流燃烧数值模拟,从而指导高效率、低污染工业燃烧器设计。针对详细化学反应机理规模较大的问题,可以通过使用化学反应机理简化的方法来降低机理中组分和基元反应数量。本文将自相关动态自适应化学(CoDAC)简化算法耦合到本课题组的燃烧数值模拟程序,并应用于一维层流预混火焰的数值模拟和湍流射流火焰(Sandia Flame-D)的LES。对比了使用和不使用CoDAC简化得到的计算结果的准确性和计算加速性,并分析了CoDAC在湍流燃烧场中的特性。一维层流预混火焰的研究结果表明,使用CoDAC简化可以准确模拟氢气和合成气复杂的的反应极限变化特性,其计算准确性和计算速度与简化阈值相关,计算误差随简化阈...
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
符号说明表
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 化学反应机理的简化及自适应简化
1.3 刚性常微分方程组的高效求解
1.4 课题研究目的及研究内容
第2章 数学模型及方法
2.1 定压自着火燃烧模型
2.2 带配对混合的部分搅拌反应器模型
2.3 定压低Ma理想气体流动和燃烧问题
2.3.1 一维层流预混火焰
2.3.2 湍流燃烧大涡模拟
2.4 详细化学反应机理
2.4.1 详细化学反应机理的描述形式
2.4.2 本文使用的详细化学反应机理
2.5 燃烧化学反应刚性常微分方程组
2.6 向后差分格式求解燃烧化学反应问题
第3章 自相关动态自适应化学在燃烧数值模拟中的应用
3.1 化学反应机理简化及自适应
3.1.1 化学反应机理简化
3.1.2 化学反应机理动态自适应简化和自相关算法
3.2 自相关动态自适应化学在一维层流火焰数值模拟中的验证
3.2.1 合成气层流燃烧反应极限特性
3.2.2 CoDAC的数值模拟方法验证
3.2.3 合成气反应极限计算结果
3.2.4 使用路径通量研究合成气火焰的反应极限
3.3 自相关动态自适应化学在湍流燃烧大涡模拟中的应用
3.3.1 数学与物理模型
3.3.2 PFA简化阈值的确定
3.3.3 LES模拟结果的准确性
3.3.4 当地简化化学反应机理特性
3.3.5 计算效率分析
3.4 本章小结
第4章 指数积分格式在燃烧数值模拟中的发展和应用
4.1 燃烧问题的指数积分格式和Krylov子空间近似数学模型
4.1.1 燃烧问题指数积分格式的构造
4.1.2 矩阵指数函数的求解方法
4.1.3 Krylov子空间近似
4.1.4 解析法求化学反应Jacobian矩阵
4.2 指数积分格式在自着火问题中的应用
4.2.1 多时间尺度法
4.2.2 MTS-EIKS方法的数值验证
4.2.3 MTS-EIKS方法与CoDAC方法协同简化
4.3 指数积分格式的改进
4.3.1 舍入误差的控制
4.3.2 考虑Schur分解时不同矩阵指数函数求解方法的比较
4.3.3 自着火模拟的验证
4.4 改进的指数积分格式在部分搅拌反应器中的应用
4.4.1 改进的Li机理的计算结果
4.4.2 GRI-Mech 3.0机理的计算结果
4.4.3 USC Mech Ⅱ机理的计算结果
4.5 改进的指数积分格式在湍流燃烧大涡模拟中的应用
4.5.1 数学与物理模型
4.5.2 LES模拟结果的准确性
4.5.3 计算效率分析
4.6 本章小结
第5章 结论与展望
5.1 结论
5.2 研究创新点
5.3 工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读博士学位期间发表的论文
本文编号：3779202
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
符号说明表
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 化学反应机理的简化及自适应简化
1.3 刚性常微分方程组的高效求解
1.4 课题研究目的及研究内容
第2章 数学模型及方法
2.1 定压自着火燃烧模型
2.2 带配对混合的部分搅拌反应器模型
2.3 定压低Ma理想气体流动和燃烧问题
2.3.1 一维层流预混火焰
2.3.2 湍流燃烧大涡模拟
2.4 详细化学反应机理
2.4.1 详细化学反应机理的描述形式
2.4.2 本文使用的详细化学反应机理
2.5 燃烧化学反应刚性常微分方程组
2.6 向后差分格式求解燃烧化学反应问题
第3章 自相关动态自适应化学在燃烧数值模拟中的应用
3.1 化学反应机理简化及自适应
3.1.1 化学反应机理简化
3.1.2 化学反应机理动态自适应简化和自相关算法
3.2 自相关动态自适应化学在一维层流火焰数值模拟中的验证
3.2.1 合成气层流燃烧反应极限特性
3.2.2 CoDAC的数值模拟方法验证
3.2.3 合成气反应极限计算结果
3.2.4 使用路径通量研究合成气火焰的反应极限
3.3 自相关动态自适应化学在湍流燃烧大涡模拟中的应用
3.3.1 数学与物理模型
3.3.2 PFA简化阈值的确定
3.3.3 LES模拟结果的准确性
3.3.4 当地简化化学反应机理特性
3.3.5 计算效率分析
3.4 本章小结
第4章 指数积分格式在燃烧数值模拟中的发展和应用
4.1 燃烧问题的指数积分格式和Krylov子空间近似数学模型
4.1.1 燃烧问题指数积分格式的构造
4.1.2 矩阵指数函数的求解方法
4.1.3 Krylov子空间近似
4.1.4 解析法求化学反应Jacobian矩阵
4.2 指数积分格式在自着火问题中的应用
4.2.1 多时间尺度法
4.2.2 MTS-EIKS方法的数值验证
4.2.3 MTS-EIKS方法与CoDAC方法协同简化
4.3 指数积分格式的改进
4.3.1 舍入误差的控制
4.3.2 考虑Schur分解时不同矩阵指数函数求解方法的比较
4.3.3 自着火模拟的验证
4.4 改进的指数积分格式在部分搅拌反应器中的应用
4.4.1 改进的Li机理的计算结果
4.4.2 GRI-Mech 3.0机理的计算结果
4.4.3 USC Mech Ⅱ机理的计算结果
4.5 改进的指数积分格式在湍流燃烧大涡模拟中的应用
4.5.1 数学与物理模型
4.5.2 LES模拟结果的准确性
4.5.3 计算效率分析
4.6 本章小结
第5章 结论与展望
5.1 结论
5.2 研究创新点
5.3 工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读博士学位期间发表的论文
本文编号：3779202
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