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用数值积分矩法求解湍流燃烧的PDF方程的研究

批准号:
12071470
项目类别:
面上项目
资助金额:
49.0 万元
负责人:
袁礼
学科分类:
微分方程数值解的基础理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
袁礼

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
湍流燃烧是发动机中化学能释放的主要形式。概率密度函数(probability density function, PDF)输运方程模型是一种能精确封闭方程中化学源项的湍流燃烧模型,PDF方程和大涡模拟(LES)相结合的LES-PDF方法是湍流燃烧计算研究的一个前沿热点。PDF方程是关于时间、空间和组分空间的高维方程,数值求解较为困难。目前研究中主要采用随机的蒙特卡罗方法来解决高维PDF方程的计算可行性问题,但随机方法在模拟高马赫数湍流燃烧时受到统计涨落误差和激波数值误差相互干扰使计算精度和计算稳定性恶化的困扰。本项目拟采用确定性的数值积分矩方法求解高马赫数下流湍流燃烧PDF方程,研究基于有限个delta函数近似PDF的标准积分矩法和半离散积分矩法,构造矩的高精度保可实现性离散格式,发展从积分矩反算或从演化方程求解积分权和组分坐标点的有效算法,为有效求解湍流燃烧PDF输运方程提供新型的数值方法。
英文摘要
Turbulent combustion is the main form of chemical energy release in engines. The probability density function (PDF) transport equation is a versatile turbulent combustion model that can exactly close the filtered chemical source terms in the equation, and its combination with LES (LES-PDF approach) is a hot front in the computational study of turbulent combustion. The PDF equation is a high-dimensional equation in time, space and chemical composition space, and is very difficult to solve numerically. Current main numerical methods for the PDF equation are stochastic Monte Carlo methods which can solve the equation efficiently, but the interactions between statistic fluctuations of stochastic methods and numerical errors near shocks deteriorate the accuracy and stability severely for high Mach number cases. This project will adopt deterministic quadrature based moment methods to solve the PDF equation for high Mach number, research on the quadrature method of moments and semi-discrete quadrature method of moments based on finite number of delta functions approximate PDF, construct high order realizable discretization scheme for the moments, and develop effective inverse algorithm from the moments or direct solving method from evolution equations for the weights and composition abscissas. The aim of the project is to provide effective solution algorithms for the PDF equation of turbulent combustion at high Mach number.
湍流燃烧是横跨流体力学、工程热物理和化学等多个学科的交叉研究题目。在现有的湍流燃烧模型中,概率密度函数(PDF)输运方程是一种能够精确封闭化学源项的湍流燃烧模型,它和大涡模拟(LES)相结合的LES-PDF方法是一种普适性较好的湍流燃烧数值模拟方法。但PDF输运方程是高维的,其数值求解比较困难。目前主流数值解法是拉氏随机颗粒方法和欧氏随机场方法。在高速湍流燃烧问题的PDF方程数值研究中,有一些研究者认为积分矩方法(quadrature-based moment methods)比随机方法有计算代价小且无统计涨落误差的优势。然而积分矩方法的实用性如何仍不清楚。然而积分矩方法在湍流燃烧中的适用性尚不明确。鉴于上述背景,本项目研究内容是计算多组分湍流反应流的积分矩方法。具体研究内容有:对一维Burgers湍流建立PDF方程,发展相应的积分矩方法并和随机颗粒方法进行比较;针对高速湍流燃烧问题,构造数值求解PDF矩输运方程的高精度格式,发展从矩反演PDF的新型积分矩法;通过数值模拟典型湍流问题检验所发展的新方法的有效性。..项目取得了如下成果:1) 对单变元PDF情形发展了一种新型的线性积分矩法(linear quadrature method of moments, LQMOM)。LQMOM的矩逆过程只需要线性代数方程组的求解,避免了原始积分矩法(QMOM)中复杂非线性代数方程组的求解。LQMOM的思想是采用连续PDF假设,用经典积分规则将矩定义等价地写成关于N个预设积分点处PDF值的线性代数方程组,从而将非线性矩逆过程转化为线性矩逆过程。在精度相同的情况下,LQMOM比QMOM减少计算量20-80%。2) 利用条件积分矩法(conditional quadrature method of moments)的主要思想,将LQMOM推广到多变元PDF情形,并构建了高效的简化LCQMOM-S-CQMOM混合算法,实现了三维多组分气体射流湍流燃烧LES-PDF数值模拟,表明所发展的混合算法能够用于数值模拟高速湍流燃烧问题。以上两点成果已经被Combustion Theory and Modeling期刊接受发表。3) 发展了高精度WENO方法的改进格式(WENO-MZ5),其鲁棒性和现有WENO-Z+和WENO-Z+M格式的相当,但计算精度和间断分辨率明显提高。
湍流燃烧的LES-PDF模拟方法及高精度格式研究
计算高速气体化学反应流的间断有限元法研究
非球对称空化声致发光的直接数值模拟
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