直接数值模拟的影响高湍流强度和体积粘度预混甲烷火焰

文摘

参数直接数值模拟(DNS)薄的湍流预混火焰燃烧甲烷反应区政权一直执行依赖复杂的物理化学模型和考虑体积粘度()。增加湍流强度的综合效应(),在生成的火焰结构调查。湍流火焰结构受到许多穿孔及边缘出现在燃烧火焰结构气体混合物在不同位置、形状和大小。加大3到12米/秒导致增加按比例缩小的集成热释放率从2到16。这说明燃烧的利益在一个高度动荡中为了获得高体积紧凑的燃烧器热释放率。观察火焰增厚是主要在高雷诺数湍流。通过系综平均,表明层流和湍流火焰结构都没有修改。这些发现是在反对以前的观测火焰燃烧氢,引起的重大修改被发现的局部和全局属性湍流火焰。因此,为了节省计算资源,我们建议体积粘度运输项被忽略湍流燃烧DNS在低马赫数时燃烧碳氢化合物燃料。

1。介绍

电力能源和交通系统的可用性在很大程度上控制了湍流燃烧过程,如燃气轮机、内燃机、燃烧化石或可再生燃料。进一步优化这样的知名系统只能涉及所有相关过程的一个更好的理解。详细的定量实验需要和非常有用的,但有时不可能的,通常只有少数火焰数量有限。作为补充,详细()直接数值模拟(dns)越来越多地获得理由作为一个可靠的工具的详细调查对基本的认识各种湍流燃烧现象(1]。数字技术的进展以及计算能力现在允许定量调查的湍流反应流越来越现实的条件下,模拟实际相关的燃料在高雷诺数湍流(),而同时采用复杂的物理化学模型来描述湍流,分子运输和化学(2- - - - - -4]。

实际上只有两种可能性获得统计上显著的结果。系综平均是最直接的方法,基于重复相同的数值实验,”然后平均观测[5]。这有时会支持甚至取代了一个空间平均在统计学上均匀的方向,当可用。作为一种替代方法,可以继续仿真很长一段时间,采用样本之间的平均时间间隔足够长的时间间隔。在这个最后的案例中,湍流时间必须保持在恒定水平。因此,时间平均只有空间发展的动荡,通过边界条件通常注射,或通过人为地流在time-decaying模拟,这又与许多理论和实践问题。依靠遍历性,平均方法应该提供相同的结果。考虑数值需求,这两种方法都导致大量增加的计算成本。仿真必须重复(系综平均)或追求在物理时间很长(平均),通常导致一个数量级的增加一个DNS。

更一般的,需要准确的物理模型在实际燃烧计算清楚展示了各种火焰配置(见,例如,2,6- - - - - -8)和引用)。不幸的是,将卷(或大部分)粘度()运输术语仍然是有争议的文献中,因为它已经在几乎所有的传统上被忽视的湍流燃烧的研究到目前为止没有任何令人信服的理由(9),即使一些出版物已经证明它是错误的忽视它先天的10,11]。应该为很多应用程序确实小的影响。另一方面,的价值为氢,例如,非常高,可能导致明显的火焰的修改。此外,研究的影响火焰结构而只考虑层流或湍流条件温和可能导致偏见的结论从更现实的,更高的值很少被评估。

忽视了体积粘性项计算模型似乎逻辑以非常低的马赫数和边界层流动。在实践中,额外的计算成本评估的多组分的混合物也会导致一个更大的程度上排斥。更重要的是,在一定程度上误导的过分自信的建议的斯托克斯(9可能导致这个系统的逃避。的确,没有体积等稀释单原子气体的粘度影响不(12)是一个例外,而不是一个规则(9,13),因为出现非常明显的密集的气体和液体。虽然单原子气体显示没有证据表明体积粘性影响,bulk-to-shear粘度比实验测量值()相差很大的双原子气体使用现在在学术和实际燃烧实验和数值研究[12,14,15]。在[15),至少说体积粘度是相同的数量级的剪切粘度(在300 K),比例对氢高达52 1000 K的温度。我们最近的调查结果显示,湍流预混火焰燃烧hydrogen-containing燃料的不可忽视的影响体积粘性项的湍流火焰结构,即使是平均量(16]。另一方面,第一个DNS计算火焰燃烧甲烷显示一个小体积粘度的影响考虑情况下全球火焰属性如volume-integrated热释放率和紊流燃烧速度17]。由此产生的图像是因此非常复杂。一个系统的定量分析的影响在动荡的甲烷火焰因此有必要完善以前的结果以确定的方式。这是高相关性,特别是燃烧DNS和建模。

因为单个孤立的DNS模拟可能有时会误导,系统的DNS计算已经意识到为了开展ensemble-averaging,卖好统计学意义(5为观察)。

最后三个主要挑战因此被提出在目前工作:化学和运输的复杂性加大了考虑甲烷火焰粘度和体积效应,同时分别同时增加湍流强度。作者的知识,这样的组合数值,物理,和流动条件从未考虑同时在相同的分析。

在接下来的部分(部分2),一个轮廓的计算程序,数值方法的描述,问题配置和初始化部分3。最近一些评论关于模块添加到使用DNS工具对细粒度并行性进行了讨论。中给出的数值结果是最后一节4结束语(前一节5)。

2。直接数值模拟

DNS方法在于解决尽可能完全所有的物理空间和时间尺度嵌在代表流方程,没有添加任何湍流模型。一个DNS必须提供一个流体动力学和火焰结构的精确解。尽管这种方法需要禁止数值成本实际配置,它提供了一个很好的补充实验为了评估各种物理机制的重要性,对火焰结构获得互补信息,因此提高湍流燃烧模型(18]。

DNS代码用于这项工作是大规模并行火焰的能手,parcomb(19,20.),解决了完整的可压缩无功n - s系统加上详细的化学和多组分传输模型(通过耦合chemkin(21),运输(22),eglib(23]库): 在哪里表示混合密度,水动力组件的速度,压力,应力张量,物种的总数,物种的扩散速度的组件的方向,,化工生产的物种和的个分量的热通量向量。体积粘度系数是一个函数的液体本地属性和显式出现在动量和能量方程: 在哪里克罗内克符号和吗是动态(或剪切粘度)。DNS代码已经加上eglib运输图书馆(23)体积粘度的实际评价运输项。单一输入数据子程序EGSKm (),适合fine-grain-distributed架构与大量的处理器,已经被使用。整数连接到子例程的名称指的是各种方法/模型用于评估(15,16]。2和6之间的不同。的价值就越高,更昂贵的底层算法和更精确的表达式,因此我们选择(EGSK6 ()在目前的研究)的计算。最简单和最便宜的模型(,EGSK2 ())只考虑交通系统相关矩阵内部的能量,而(EGSK6 ())对应不仅最精确的,但也是最昂贵的模型,因为它解决了完整的矩阵系统相关的转化和内部能量碰撞积分和依赖与温度有关的比率,这是评为[中讨论15,24,25]。最后,直接进行反演计算体积粘度对于一个给定的混合物,以温度和物种质量分数。我们感兴趣的读者参考eglib用户手册(23为进一步的细节和[]15)一个广泛讨论的话题。

上述系统的控制方程是解决parcomb在传统的笛卡尔网格高阶准确和nondissipative数值方案。空间sixth-order中央计划,逐步减少到四阶边界附近使用。在升级的过程中从原来的2 d版的代码当前3 d状态(4,20.),称为斜对称的一种改进方案制定(26)已经实现了对流条件以减少进一步数值耗散和增加稳定性。时间集成在一个显式执行方式与四阶龙格-库塔方案。扩展的n - s特征边界条件(NSCBCs [27,28]),应用nonreflecting边界和压力放松沿着流出的面孔。

parcomb并行使用一个三维域分解和MPI消息传递协议,提供一个良好的峰值性能和近乎完美的并行扩展为一个完整的大规模的三维运行4096计算核心的IBM BlueGene / P。更多细节关于代码结构、优化应用程序,和最近的升级/添加模块可以在[4,29日]。

为了获得更高的价值在精密并联系统中,两个湍流生成技术基于数字滤波器(30.和随机噪声扩散31日)杂化,执行,并行大规模并行计算机上(16]。通过这个简单、灵活、准确的方法,限制问题的大小由先前基于逆FFT实现发电机(32)已经缓解,铺平了道路模拟大域相当高雷诺数湍流。对结果提出后,生成的初始湍流场已经系统地使用这种混合动力技术。

第二个主要问题需要注意对细粒度并行性是有效的,完全并行数据输入/输出(I / O)。传统的顺序I / O方法已经被完全并行I / O(通过MPI-I / O),多个进程并行程序的访问数据从一个共同的(读/写),共享文件。这提供了更高的性能(加速在写作/阅读所有文件所需时间至少3倍)和单(重启/解决方案)数据文件。

3所示。火焰配置和初始化

化学计量球形预拌沼气空气火焰被认为是在所有的计算,在一个立方计算域的两侧4.0厘米,一个统一的网格间距的26岁μ米,允许足够的分辨率的空间尺度上对所有配置。的点火和随后的扩张/发展这样一个预混合火焰内核的影响下的湍流流场是一个非常有趣的配置允许研究湍流火焰远离外部约束的影响,如墙壁和人工边界条件。它有另外一个直接相关的工业案例包括火花点燃式内燃机和燃气轮机再起以及安全问题。

甲烷氧化由25-step骨架建模方案由16种(CH₄阿,₂H₂H₂O, CH₂O,有限公司有限公司₂,何₂,哦,H、O, CH₃、HCO H₂O₂,CH₃O, N₂)[33]。这里的反应机理是保留由于其简单性和稳定性,并提供足够准确的结果为精益化学计量的条件。它已经成功地用于大规模多维nonpremixed甲烷喷射火焰的直接计算(34),最近,高度湍流预混火焰(4,17]。然而,它将对甲烷火焰不足由于缺乏C₂和更高的碳链反应的原因目前的研究。

最初的系统是一个固定热(K)完美的球形层流火焰内核的初始半径mm,位于中心的计算框和新的大气包围预混合的甲烷和空气的混合物在一个未燃的温度K。最初的原始轮廓度变量根据规定 在哪里之间的区别是初始值(在新鲜和燃烧气体的混合物。常数是新鲜的刚度的测量/燃烧气体接口。初始质量分数值和在外的内核和在内部。一个适当的补充氮添加无处不在。

对湍流雷诺数的影响进行调查基于积分尺度火焰结构,同样的计算重复了相同的初始pseudoturbulent结构和初始成分,但先后高紊流速度波动。均方根速度波动湍流雷诺数艾迪的人事变动用于量化火焰/湍流交互time-decaying动荡(35),Karlovitz号码给出了在表1。混合物的特性粘度,米²/ s,层流火焰速度m / s,层流火焰热厚度毫米,整体规模这里给出所有模拟都是常数。

基于这些湍流特性、火焰认为这里属于薄反应区(TRZ)政权根据修改后的政权彼得斯(图36,37),如图1。它是政权相信小湍流漩涡能够穿透和扰乱预热区,但达不到这样的反应区,因为一个数量级差异在这些特征层的厚度。

的一般视图配置如图2,iso-surface温度与H₂O₂片和有限公司₂片和流行(薄白线)显示,揭示了严重皱后火焰前锋与三维交互time-decaying均匀各向同性合成湍流速度场为0.8毫秒。

总数计算核心介于512和096是用来解决这个问题IBM POWER5集群(HPCx)系统EPCC(提供总峰值性能6 Tflop / s维持)。通常,所需的计算时间是10天到达。最长的计算需要大约两个月。下面展示的结果中,无量纲时间,需要得到适当的湍流和化学之间的平衡条件(35),是系统保留的分析。

4所示。结果与讨论

获得DNS数据集使用内部后处理库处理AnaFlame(38,39]。为例3和4,每个实验都进行两次完全相同的初始和边界条件包括湍流特性,除了一个事实,即体积粘度方面在另一但激活释放。此外,系综平均的使用是为了改善结果的统计学意义通过重复每一对(和)案例3不同湍流字段初始化随机种子不同但拥有相同的初始强度(),然后平均观测。因为一个随机数发生器是用来确定速度阶段40),每一对DNS与湍流的相同的全局属性(频谱、相关性、波动、雷诺数等)但对应不同的初始空间特性,从而不同的进化(即。实现)的火焰。这些进一步的实现将为这里的结果提供统计学意义(5]。接下来,所有资料显示案例3因此6实现的平均值。

瞬时解的条件分析了统计量与建模相关如温度、热释放,选择质量分数说明turbulence-impaired火焰结构。体积粘度的影响是通过比较上述评估概要文件为每个的双重计算例3和4。

4.1。层流火焰结构

首先,(以下称为层流情况例0)被计算在一个较小的计算框(厘米)相同的初始混合物成分在动荡的情况下。质量分数的瞬时iso-contours H₂O₂在不同的时间(、0.25和0.5毫秒),没有体积粘度图所示3。分别对应的同心圆,三次实例(增加半径)。作为补充,火焰结构如图4对反应的进展,减少温度的定义:(1]。相应的燃料消耗的演化()和综合热释放()率(稍后定义)如图5。瞬时的温度,热释放速率和质量分数哦,O, H₂O H₂O₂,何₂显示在毫秒(绕点)和没有(实线)考虑体积粘度运输项。相同的绘图风格适用于颞概要图5。是绝对不可能区分的两个数值结果数据3- - - - - -5在这两个物理变量和进步空间,即使对火焰自由基像H₂O₂和何₂以及全球火焰数量和。所有字段都是定性和定量相同的相对差异在各方面远低于1%。所有其他的数量分析(数据没有显示)是相同的。因此,体积粘度对层流预混火焰沼气空气的结构没有影响。这是由于膨胀项大约是零在这个计算,峰值马赫数低于0.001。

上述观察并不奇怪,充分证实这项发现在9),说明数值模拟执行相同的边界条件和在低马赫数,定量模拟之间的差异是极其微小的体积粘度是否包括在内。然而,有趣的是检查现在的长期影响混沌流湍流引起的波动这一发现。

4.2。湍流火焰结构

4.2.1。准备物理火焰结构

高度动荡的条件(2460)在访问这个项目。湍流的影响火焰的物理结构是第一次调查通过原始变量的检查。温度的iso-contours的演化图所示6最动荡的实现(例4不占体积粘度影响,穿过变量的瞬时iso-contour说明了物理火焰结构在不同无量纲时间(,,,,,)。最初完美球面层流火焰内核是随着时间逐渐严重扭曲和延伸的非常强烈的湍流场,当地灭绝就变得很重要。从,湍流火焰结构受到许多穿孔(燃烧气体的形式里新鲜的混合物和新鲜气体口袋内的燃烧气体)和火焰般的边缘结构(41)出现在燃烧气体混合物在不同位置、形状和大小。火焰相互湮灭,灭绝,重燃过程导致一个非常复杂的火焰拓扑。

哦的iso-contours激进密切关注的温度和图所示7在相同的无量纲时间为例1- - - - - -4当增加湍流强度(1 230、1 845和460)计算,不占体积粘度影响。哦,激进的是一个被广泛使用火焰标记,通常用来定义湍流火焰前锋的位置(42]。以前,DNS主要访问轻度湍流条件如如图7(一)火焰,只是有点扭曲。增加湍流搅拌时,开始出现flame-flame交互,最终启动新鲜气体的形成口袋内的燃烧气体混合物,例如图7 (b)。移动到最动荡的情况下如图7 (c)和7 (d),皱纹的数量增加强劲,相当大的结构性的修改中观察到不连续的火焰的形式方面,从温度很难找出iso-contours情节图6。这些变化是第一个迹象表明应该最终明显超过000,以达到现实的条件下,这当然取决于应用程序和相应的湍流燃烧机制。获得火焰拓扑结果从当地火焰灭绝强烈的湍流引起的紧张和新鲜气体的综合效应群岛创建和flame-flame交互,最终导致火焰封口。在高湍流、封口和相互毁灭的火焰表面发现一个主导机制限制所产生的火焰表面积由于湍流起皱。这样flame-flame对燃烧设备设计师,交互非常重要,例如,部分原因combustion-induced噪声(43,44]。获得非线性湍流火焰速度和湍流强度之间的关系在不久的将来会在细节量化,后处理系统相应的DNS。其他主要和次要物种的轮廓表现出相似的温度和哦字段,因此省略了的利益空间。

第一次评估的影响体积粘性湍流火焰结构,图8描述了定义的瞬时火焰前锋iso-contours质量分数的哦案例3,没有体积和粘度的影响同时实例。在层流比较,结构和高峰值的差异可以忽略不计。

4.2.2。颞火焰进化

两个特别重要的全球数量,火焰燃烧率和volume-integrated热释放率(前面介绍的层流)——在每一个实验,将跟踪系统相比,检查体积粘度的影响进化的预混甲烷火焰内核。是一个有趣的衡量湍流燃烧速度(45)——中央重要参数燃烧器设计师依靠预拌湍流燃烧。这里,燃烧率定义后(46)的容积率每单位火焰区域的燃料消耗,当适当的比例,作为测量火焰的燃烧速度的47,48]: 在哪里是燃料分子量,和是燃料的密度和质量分数的新鲜气体混合物,分别。数量都是按比例缩小的层流通过各自的初始值。

这两个全局量的时间演化图所示9为例1- - - - - -4。计算体积和粘度案例3和4也与环绕在同一图符号。最初,大约是常数约然后它稳步增加。在各种情况下的配置文件有明显不同的课程取决于气流搅拌的水平。动荡的资料逐步随时间指数(速度快速增长而增加)。增加初始湍流速度波动3到12米/秒导致增加的总热释放规范化的层流值从2到16岁。燃烧率的观察是相似的,如预期的燃烧政权。清晰的饱和效应尚未观察到这些DNS结果,强调需要模拟在更高的雷诺数和可能在其他混合等价比率。

现在考虑体积粘度的影响,这学期的时间配置文件没有显示出明显的影响。为例4(单DNS实现),轻微的瞬时出现差异,可能由于数据不足。这是证实了这一事实,案例3(模拟平均在6实现),存在与否的概要文件是相同的。

4.2.3。有条件的分析

有条件的分析是许多湍流燃烧模型的重要性。因此,有条件的平均值计算了不同变量描述火焰行为作为湍流强度的函数(图10)。进步的条件意味着变量梯度是特别感兴趣的,因为它的逆矩阵给出了测量火焰厚度的类比热火焰厚度(3]。条件的意思和H₂O₂质量分数显示明显依赖于湍流强度,与逐步降低峰值。有条件的降低的意思表明,火焰增厚是占主导地位的,尤其是(活跃的火焰区域)增加。最敏感的小自由基条件意味着概要(H₂O₂)以及主要物种(图中未显示)是冷漠的体积粘度,无论系综平均。体积粘性效应是明显的意思配置文件例4(单DNS实现)。这似乎是一个统计工件,因为所有的条件意味着概要文件案例3(平均超过几个实现)没有影响,无论如何。

5。结论

数字技术的进展以及计算能力现在允许定量调查的湍流反应流越来越现实的条件包括详细的物理化学模型。化学计量预混甲烷火焰的直接数值模拟参数研究中被认为是包括与六对一个案例的计算2 460(因子4)通过访问高端并行计算机在欧洲水平。后与I / O相关的解决问题和初始湍流生成,详细分析使用专用的基于matlab的图书馆已经完成AnaFlame(39]。

火焰速度随气流搅拌增加而迅速增加,火焰明显增厚。同时,放热峰值条件概况和主要和次要物种质量分数有系统地降低湍流强度增加。在所有考虑情况下,预混合的甲烷火焰体积粘度的影响可以忽略不计。任何差异在层流计算,证实了理论结果低马赫数条件。以前的观测对湍流氢火焰,揭示一个明确的体积粘度的影响,不适用目前甲烷火焰雷诺数在研究中考虑。节省计算资源,包含多组分体积粘度影响的多维计算湍流火焰燃烧甲烷和可能更高的碳氢化合物以及因此气馁,只要低马赫数。

这个研究表明也重复的重要性DNS实现为了获得统计上显著的数据。单一的实现可能会导致虚假的差异,迅速平滑时平均几个结果,观察到这里当比较的结果案例3(多个DNS实现)例4(单DNS实现)。

确认

提供的计算资源被DEISA极端计算计划(分),作为第七框架计划的一部分由欧盟提供资金。作者感谢DEISA帮助台的支持。

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