面向超大规模并行计算的层流预混火焰及自燃相似性研究

湍流燃烧中的自燃、火焰稳定、污染物生成等重要现象都与化学反应有着密切联系，需要采用详细化学反应机理准确描述。通过预先生成化学反应数据库，可以在湍流燃烧仿真计算中间接采用详细化学反应机理。但现有方法生成的化学反应数据库需要很大的存储空间，在发动机和工业燃烧设备的超大规模并行仿真计算中无法使用。本项目通过研究大分子碳氢燃料和多组分燃料层流预混火焰相似性以及自燃过程相似性，发展相似性火焰数据库方法，可以将化学反应数据库的存储需求降低至少三个数量级，同时大幅减少数据提取时间，使在燃烧仿真的超大规模并行计算中采用详细化学反应机理成为可能，显著提高仿真精度和预测能力。本项目研究不仅可以对燃烧科学的发展做出有益贡献，而且能帮助提高我国航空发动机、内燃机和工业燃烧设备的设计水平。

本项目研究目标为通过理论和计算分析碳氢燃料的自燃和预混火焰的相似性。基于自燃过程的守恒方程进行自燃相似性的理论研究，建立了自燃过程相似性的判据。对广泛的温度、压力、当量比和已燃气体掺混率条件下的甲烷/空气混合物自燃过程进行计算分析，证明其自燃过程中包括主要反应物、次要反应物和自由基在内的各种化学组分质量含量和反应率都具有相似性。进一步，通过定义适当的反应进度变量来反映包含冷火焰阶段的自燃过程，将火焰相似性理论和S2FT方法的研究成功地从小分子碳氢燃料扩展到复杂大分子碳氢燃料，并得到重要结论：相似性一旦对于复杂大分子碳氢燃料的成立，也会对其详细化学反应机理中所包含的小分子燃料成立。针对反应进度函数空间具有多个峰值的化学反应率曲线开发MZ-S2FT方法，通过广泛工况条件下的大量计算，证明复杂大分子碳氢燃料/空气和多组分燃料/空气的层流预混火焰都具有相似性。本项目还额外对层流预混火焰空间滤波后的相似性进行了理论研究，采用不同的尺度对多组分层流预混火焰进行空间滤波，发现空间滤波后各种化学组分的质量含量和反应率仍然具有很好的相似性。根据本项目研究的成果，构建相似性化学反应数据库，需要存储的数据量将减少至少100倍，大大降低内存需求，使在采用多组分碳氢燃料的工业燃烧设备湍流燃烧大涡模拟的超大规模并行计算中采用复杂化学反应机理奠定了基础。