采用詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理是提高湍流燃燒大渦模擬(LES)精度的重要途徑,但這將使燃燒化學(xué)反應(yīng)常微分方程組(ODE)的求解耗時增大。一方面是因為詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理中組分和基元反應(yīng)數(shù)量龐大,導(dǎo)致需要求解的化學(xué)反應(yīng)ODE的數(shù)量多;另一方面是因為化學(xué)反應(yīng)ODE剛性很大,需要使用剛性O(shè)DE求解方法。因此,本文針對以上兩方面困難,探究用于湍流燃燒LES的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理的加速算法。研究加速算法,有利于實現(xiàn)高精度和高時效性的湍流燃燒數(shù)值模擬,從而指導(dǎo)高效率、低污染工業(yè)燃燒器設(shè)計。針對詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理規(guī)模較大的問題,可以通過使用化學(xué)反應(yīng)機理簡化的方法來降低機理中組分和基元反應(yīng)數(shù)量。本文將自相關(guān)動態(tài)自適應(yīng)化學(xué)(CoDAC)簡化算法耦合到本課題組的燃燒數(shù)值模擬程序,并應(yīng)用于一維層流預(yù)混火焰的數(shù)值模擬和湍流射流火焰(Sandia Flame-D)的LES。對比了使用和不使用CoDAC簡化得到的計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算加速性,并分析了CoDAC在湍流燃燒場中的特性。一維層流預(yù)混火焰的研究結(jié)果表明,使用CoDAC簡化可以準(zhǔn)確模擬氫氣和合成氣復(fù)雜的的反應(yīng)極限變化特性,其計算準(zhǔn)確性和計算速度與簡化閾值相關(guān),計算誤差隨簡化閾...

【文章頁數(shù)】：158 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
符號說明表
第1章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 化學(xué)反應(yīng)機理的簡化及自適應(yīng)簡化
    1.3 剛性常微分方程組的高效求解
    1.4 課題研究目的及研究內(nèi)容
第2章 數(shù)學(xué)模型及方法
    2.1 定壓自著火燃燒模型
    2.2 帶配對混合的部分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器模型
    2.3 定壓低Ma理想氣體流動和燃燒問題
        2.3.1 一維層流預(yù)混火焰
        2.3.2 湍流燃燒大渦模擬
    2.4 詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理
        2.4.1 詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理的描述形式
        2.4.2 本文使用的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機理
    2.5 燃燒化學(xué)反應(yīng)剛性常微分方程組
    2.6 向后差分格式求解燃燒化學(xué)反應(yīng)問題
第3章 自相關(guān)動態(tài)自適應(yīng)化學(xué)在燃燒數(shù)值模擬中的應(yīng)用
    3.1 化學(xué)反應(yīng)機理簡化及自適應(yīng)
        3.1.1 化學(xué)反應(yīng)機理簡化
        3.1.2 化學(xué)反應(yīng)機理動態(tài)自適應(yīng)簡化和自相關(guān)算法
    3.2 自相關(guān)動態(tài)自適應(yīng)化學(xué)在一維層流火焰數(shù)值模擬中的驗證
        3.2.1 合成氣層流燃燒反應(yīng)極限特性
        3.2.2 CoDAC的數(shù)值模擬方法驗證
        3.2.3 合成氣反應(yīng)極限計算結(jié)果
        3.2.4 使用路徑通量研究合成氣火焰的反應(yīng)極限
    3.3 自相關(guān)動態(tài)自適應(yīng)化學(xué)在湍流燃燒大渦模擬中的應(yīng)用
        3.3.1 數(shù)學(xué)與物理模型
        3.3.2 PFA簡化閾值的確定
        3.3.3 LES模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性
        3.3.4 當(dāng)?shù)睾喕瘜W(xué)反應(yīng)機理特性
        3.3.5 計算效率分析
    3.4 本章小結(jié)
第4章 指數(shù)積分格式在燃燒數(shù)值模擬中的發(fā)展和應(yīng)用
    4.1 燃燒問題的指數(shù)積分格式和Krylov子空間近似數(shù)學(xué)模型
        4.1.1 燃燒問題指數(shù)積分格式的構(gòu)造
        4.1.2 矩陣指數(shù)函數(shù)的求解方法
        4.1.3 Krylov子空間近似
        4.1.4 解析法求化學(xué)反應(yīng)Jacobian矩陣
    4.2 指數(shù)積分格式在自著火問題中的應(yīng)用
        4.2.1 多時間尺度法
        4.2.2 MTS-EIKS方法的數(shù)值驗證
        4.2.3 MTS-EIKS方法與CoDAC方法協(xié)同簡化
    4.3 指數(shù)積分格式的改進(jìn)
        4.3.1 舍入誤差的控制
        4.3.2 考慮Schur分解時不同矩陣指數(shù)函數(shù)求解方法的比較
        4.3.3 自著火模擬的驗證
    4.4 改進(jìn)的指數(shù)積分格式在部分?jǐn)嚢璺磻?yīng)器中的應(yīng)用
        4.4.1 改進(jìn)的Li機理的計算結(jié)果
        4.4.2 GRI-Mech 3.0機理的計算結(jié)果
        4.4.3 USC Mech Ⅱ機理的計算結(jié)果
    4.5 改進(jìn)的指數(shù)積分格式在湍流燃燒大渦模擬中的應(yīng)用
        4.5.1 數(shù)學(xué)與物理模型
        4.5.2 LES模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性
        4.5.3 計算效率分析
    4.6 本章小結(jié)
第5章 結(jié)論與展望
    5.1 結(jié)論
    5.2 研究創(chuàng)新點
    5.3 工作展望
參考文獻(xiàn)
致謝
作者簡歷及攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文



本文編號：3779202