Development of LES solver independent of combustion regimes by the conditional moment closure method

通过条件矩闭合法开发独立于燃烧状态的 LES 求解器

基本信息

批准号：
21K03889
负责人：
芳賀臣紀
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Japan Aerospace EXploration Agency
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，空間の離散化に不連続有限要素法を用い，各計算セル内で近似次数を自在に変えることで乱流燃焼モデルの計算コストを大幅に低減することを目標としている．つまり，条件スカラーの次元を加えた４次元空間の高コストなモーメント計算は低次精度で近似し，３次元の流体計算は高次精度で近似をすることで，コストを低減する．流体計算を十分に高い次数（４次以上）で安定に計算できることが成功の鍵である．本年度は，燃焼流れにおける密度勾配が大きな界面を高次精度スキームで安定に計算するため，界面捕獲法として多項式リミッターと非多項式のTHINC法を導入した．多項式リミッターは堅牢性に優れ，密度比が数百倍の超臨界圧燃焼にも適用できるが，界面近傍で精度が大きく低下し，高次精度スキームの利点が失われることがわかった．他方，THINC法は高次精度スキームと組み合わせても解像度を維持できるが，高密度比の界面では十分な安定性が得られていないのが現状である．提案手法のもう一つの特長であるGPUによる高速化については，プログラムに指示行を付加するOpenACCを用いてポーティングを行った．燃焼ソルバーでよく用いられるループ内のサブルーチン呼び出しや化学種の小ループ及びその多重ループがボトルネックとなり，計算速度が大幅に遅くなるケースを確認した．この問題に対し，混合物の輸送係数など複雑なサブルーチンについてはテーブル参照型の回帰モデルを利用することでサブルーチンが簡略化され，速度遅延も解消される知見を得た．

在这项研究中，目标是使用不连续的有限元方法来离散空间，并通过自由更改每个计算单元中的近似顺序来大大降低湍流燃烧模型的计算成本。换句话说，具有条件标量尺寸的四维空间中的高成本力矩计算以低阶的精度近似，而三维流体计算的计算则以高阶精度近似，以降低成本。成功的关键是能够以足够高的高度（第4阶或更高）稳定计算流体计算。在今年，我们引入了多项式限制器和非多项式THINC方法作为界面捕获方法，以便使用高阶精度方案在燃烧流中稳定地计算具有较大密度梯度的接口。尽管多项式限制器的鲁棒性非常好，并且可以应用于几百次密度比的超临界压力燃烧，但发现该界面附近的准确性大大降低，从而导致高阶精确方案的优势丧失。另一方面，即使与高阶精度方案结合使用，THINC方法也可以保持分辨率，但是目前的情况是，在高密度比率的接口处无法实现足够的稳定性。该方法的另一个功能是使用GPU提高速度，然后使用OpenACC执行移植，从而将指令添加到程序中。我们已经证实，循环中的子例程，化学物种的小环及其多个循环（通常用于燃烧求解器）成为瓶颈，从而导致计算速度的速度明显较慢。针对这个问题，我们获得了这样的发现，即可以使用表格引用的回归模型来简化复杂的子例程，例如混合物的传输系数，并且可以消除速度延迟。