发动机条件下燃烧对湍流全尺度影响的机理研究

The precise quantification of multi-scale turbulent combustion-reaction flows in confined spaces is a frontier scientific problem urgently needed for the development of advanced engines. Experimental measurements are currently unable to provide full-time information on high-temperature and high-pressure flows. Traditional numerical method based on the Navier-Stokes equation is not ideal for dealing with the multi-component transient non-equilibrium reaction flow in complex confined spaces in terms of both the reliability of the physical model and the computational efficiency. In the last 30 years, the method based on the Boltzmann equation has been widely used in many science and engineering fields because of its advantages in dealing with complex boundaries, physical-chemistry phenomena, and parallel computing efficiency. In recent years, the advancement in supercomputing hardware has for the first time, made Direct Numerical Simulation (DNS) of the combustion process in a whole combustion chamber within reach. As the first step, this project intends to develop and verify kinetic-theory model suitable for DNS simulation of full-space-time compressible reaction flow in real combustion chambers.

受限空间内多尺度湍流燃烧反应流的精确定量化是当前开发先进发动机急需解决的前沿科学问题。实验测量目前无法提供高温高压流动的全时空信息。基于纳维斯托克斯方程的传统数值方法对处理复杂受限空间内多组份瞬态非平衡反应流，无论是物理模型的可靠性还是计算效率都不理想。最近30年，基于波尔兹曼方程的动理学方法由于其在处理复杂边界与物理化学现象和并行计算效率等方面的优势，被广泛应用到科学和工程的很多领域。近年来超算硬件的发展使得全燃烧室燃烧过程的直接数值模拟已开始成为可能。作为第一步，本项目拟开发并验证适用于燃烧室全时空可压缩反应流直接数值模拟的分子动力学模型。

本项目旨在为将动理学方法用于真实系统和条件下全燃烧室直接数值模拟提供理论基础及算法。主要研究内容为1）适用于全时空可压缩湍流和多相湍流直接数值模拟的动理学理论模型；2）具有高度数值稳定性和鲁棒性，可处理强可压缩性流动的格子玻尔兹曼方法；3）适用于受限空间燃烧过程直接数值模拟的动理学数值计算技术，包括高效的网格自适应技术，适用于大规模并行异构架构的并行计算技术，和与传统方法的比较评估和验证。为此我们开发了基于算子谱展开的多弛豫时间碰撞模型，在随流体运动的参考系中将厄密系数的不可约分量独立松弛，这些分量对应于SO(3) 旋转群的不可约表示，是在不破坏旋转对称性的条件下可以单独松弛的最小张量分量。为了避免由于插值而可能产生的数值耗散，我们通过二项式变换将松弛系数转换为实验室参照系，使用固定速度的高斯积分公式进行计算。我们还对提出的高阶格子玻尔兹曼模型的精度进行了分析与评估，验证了与有限体积BGK求解器相比，格子玻尔兹曼的数值耗散要低几个数量级，并且以较少的离散速度实现相同的精度。为完成复杂几何构型的精细计算，我们开发了自适应笛卡尔网格自动生成技术，基于表面网格自动生成自适应的空间笛卡尔网格。同时实现了可用于大规模并行计算的网格自适应算法。我们还发展了基于玻尔兹曼方程， 能同时处理颗粒多相流、可压缩湍流、可压缩传热的一系列介观模型和并行程序，在多相流流动机理上，对含颗粒的槽道湍流进行了系统分析，揭示了颗粒分布/湍流统计特性与颗粒尺度/颗粒旋转的相互关联。本课题支持开发的理论模型和算法将用于国家重大科技专项两机专项中的燃烧和噪声研究。