面向OpenFOAM模拟结果的全域点火延迟时间高效同步计算技术
技术描述
点火延迟时间是化学反应流中的重要概念。对于扩散燃烧系统如各类动力装置，包括内燃机、燃气轮机、航空发动机、火箭发动机和吸气式冲压发动机，它是衡量燃烧室和燃料燃烧性能的重要标准。燃料在燃烧室有限的驻留时间内，能否高效点火、稳定燃烧，直接决定着动力装置的点火可靠性、火焰稳定性和燃烧高效性。对于预混燃烧系统如采用预混燃烧技术的燃气轮机，要避免不合时宜的自点火现象，减弱甚至阻止发动机爆震燃烧并控制污染物排放。因此，优化点火延迟时间可提高发动机燃烧效率、降低尾气排放及燃油消耗。 本技术实现任意多个网格、任意多种热力学状态点火延迟时间的高效同步计算，并与OpenFOAM流动/燃烧模拟结果建立数据接口。以数值模拟的整个计算域上的温度、压力和组分结果作为点火延迟计算的初始条件，可大幅提高（若干数量级）点火延迟时间的计算效率。本技术可实现OpenFOAM数值模拟任意实际计算构型全域点火延迟时间、点火概率及点火位置演化信息的精确、高效、快速预示。基础研究方面，可用于分析成功点火的局部流动、热力学和热化学状态，发展更高阶、更高维的点火理论模型。工程应用方面，指导点火设计、提高点火成功率，进而支撑各类动力装置的燃烧室改进和燃烧组织优化。
技术优势
本技术的主要优势包括：①计算效率极高，理论上只要计算机性能足够，运行完一次算例即可获得任意多个网格单元、任意多种热力学状态的点火延迟时间分布；②实际操作简便，在算例设置、运行和后处理分析上，相比单点、单热力学状态逐次的设置、计算、提取，本技术的具体操作极为简便；③应用范围极广，实现点火延迟和点火概率计算与OpenFOAM模拟结果的数据交互，获得真实计算构型全域的点火场量分布，具有极强的实用性。 目前计算点火延迟的常用工具有商业软件CHEMKIN点火延迟子程序库、基于OpenFOAM开源平台的chemFoam求解器和基于Linux平台的开源软件包Cantera等。CHEMKIN已被ANSYS公司收购（Ansys Chemkin-Pro），具有商业软件固有的缺陷，如代码不公开、版权费昂贵；Cantera需要一定的Linux基础，具有较高使用门槛，且需克服与OpenFOAM计算数据的衔接问题。chemFoam是OpenFOAM自带的化学求解器，只适用于单一网格单元。 上述几款工具包在单次运行时通常只能计算单一热力学状态的点火延迟，无法同步计算多个网格、多种热力学状态。CHEMKIN虽提供了一定的参数化研究功能，但需手动输入研究参数的取值。也可以指定变量上下界和增长率，按固定的规则自动生成一列数据作为初始输入。但只能获得特定的变量初值，应用场景十分受限，且相比于本技术其计算效率极低。
效果指标
利用OpenFOAM进行各类型动力装置的化学反应流模拟时，准确预测整个计算域上的点火延迟时间分布并研究局部参数对点火发生的影响规律极为必要。预测点火延迟同样利于化学反应机理的发展，测试并校验新的机理通常要分析其点火延迟时间并与激波管的实验数据进行对比。由于点火延迟计算是零维的，消除了输运效应的影响，上述对比验证可更好理解真实的化学反应路径。 决定点火延迟时间的温度、压力和组分浓度在整个数值计算域上是不规则分布的，目前的技术无法同时计算所有网格热力学状态的点火延迟时间。研究手段的不足，极大地限制了点火问题的研究效率和精度。本技术有效解决了该不足，极大提高了整体的计算效率，且具有完全的自主知识产权。目前正申请国家发明专利（校内编号：I24051707）。所有关注点火问题的场景，都可应用本技术，目标市场广阔、市场规模庞大。 本技术在课题组内已经得到广泛应用，以下结合具体的示范应用来描述，相关结果见附件部分的成果宣传图片。首先以氢气9组分、19反应步详细化学反应机理为例，实际上本技术不受反应机理的任何限制。附图1为化学恰当比的氢气/空气混合物在0.1 MPa初始压力、950–2400 K初始温度、定容条件下的点火延迟计算结果，附图2为点火过程演化曲线。粗略估算本技术相比于单点计算，效率提高100倍而计算精度完全一致。 第二个示例针对实际应用的进气道-燃烧室-尾喷管一体化超燃冲压发动机，计算网格总数1.85亿。这是一次计算单个网格、单一热力学状态的方法不可能完成的任务，唯有本技术可高效地实现该目标。完成OpenFOAM冷态场模拟后，选取任一瞬时已收敛的混合场结果作为点火延迟计算的初始时刻。利用本技术开展该时刻的全域点火延迟高效、同步计算。附图3给出了不同准则下的点火延迟时间在整个计算域上的云图分布；附图4显示了点火成功的网格单元上，温度与点火延迟时间的散点分布并以压力着色。可分析各种参数对点火延迟时间和点火能否成功的统计学影响规律，进而揭示点火发生的物理机制。