基于机群的湍流燃烧数值模拟平台的构建与应用

首先对机群系统的特点和软硬件配置环境进行阐述,然后基于MPI和开源工具OpenFOAM实现一个计算流体力学机群系统的搭建,并对这个机群系统的性能和并行效率进行测试和分析。通过利用此机群系统对湍流燃烧流动反应进行数值模拟及并行计算得到模拟效果的三维流场。实验结果表明,该机群系统针对湍流燃烧数值模拟可以明显提高计算效率并得到较好的仿真效果。     

改进的Bilger型湍流燃烧反应速率模型及其数值模拟的验证

基于旋涡耗散原理,结合平均生成速率正比于化学计量比下的混合分数的概率密度的理论分析,发展Bilger型燃烧反应速率模型,使之能够模拟富氧和贫氧燃烧工况。模型中利用快速反应假设,辐射由多射线模型模拟,结果与Steckler的燃烧实验数据比较,并与文献中多个模型比较。温度、速度分布以及总体量的比较表明,当前模型比传统的EDM、Brizulea-Bilger模型在模拟贫氧燃烧方面好。对不同模型的应用提出了建议。     

基于粒子系统的湍流燃烧火焰的可视化研究

引入粒子系统作为可视化建模的基本方法，建立了包含火焰粒子子模型、湍流流场子模型和燃料属性子模型的湍流燃烧火焰可视化模型．通过将温度场与湍流流场的有机结合及燃烧室内网格体单元的颜色与透明度的显示，实现了湍流燃烧火焰的三维动态传播可视化．最后，结合实例给出了火焰效果图，体现了湍流涡对火焰前锋面的影响．     

基于粒子的湍流燃烧火焰的可视化研究

引入粒子系统作为可视化建模的基本方法,建立了包含火焰粒子子模型、湍流流场子模型和燃料属性子模型的湍流燃烧火焰可视化模型.通过将温度场与湍流流场的有机结合及燃烧室内网格体单元的颜色与透明度的显示,实现了湍流燃烧火焰的三维动态传播可视化.最后,结合实例给出了火焰效果图,体现了湍流涡对火焰前锋面的影响.     

喷射器内液—液湍流反应过程的数值模拟

利用两环境矩直接积分模型(DQMOM)对喷射器内液液平行-竞争反应体系进行了研究,结果表明:在固定引射流速的情况下,随着喷嘴速度的增加,平行-竞争反应的选择性越来越高, 副反应的转化率越来越低;在固定喷嘴流速的情况下,随着引射流体速度的增加,平行-竞争反应的选择性越来越低,副反应的转化率越来越高;速度比一定时,喷嘴绝对速度值越大,副反应的转化率越低.     

物体燃烧模拟方法的研究

物体燃烧是个极其复杂的过程,物体的种类不同,燃烧时的具体变化也不尽相同.简要介绍火焰和烟雾的生成模拟方法;重点研究近年来木棒、纸张等固体物体燃烧模拟的方法,侧重于物体自身在燃烧过程中的变化特点和真实过程;比较各种方法的优势及其特点;关注未来的研究工作需要重点加以关切的几个方面;介绍今后需要进一步努力和完善的一些工作思路.     

合成气非预混燃烧的数值模拟

针对合成气非预混火焰结构开展数值模拟和试验验证,分析天然气改烧合成气后燃烧特性的变化规律.结果表明,大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)在速度分布和温度分布的预测中与试验结果比较吻合,而在对燃烧过程产物(如OH自由基)预测中则与试验结果有所差异.采用数值模拟与试验测量相结合的方法,探讨和分析合成气燃烧特性的变化规律:与天然气火焰相比,合成气燃烧时高温区域更大,火焰稳定性较好;随着当量比提高,燃烧室热负荷不断增大,同时最高回流速度增大,火焰根部受到压缩,逐渐呈现出推举火焰特征.     

基于CPU/GPU异构系统架构的高超声速湍流直接数值模拟研究

【目的】高超声速湍流直接数值模拟(DNS)对空间及时间分辨率要求高,计算量非常大。过大的计算量及过长的计算时间是导致DNS难以在工程中被大范围应用的重要原因。为加快计算速度,作者设计并开发了一套CPU/GPU异构系统架构(HSA)下的高性能计算流体力学程序OpenCFD-SCU。【方法】该程序以作者前期开发的高精度有限差分求解器OpenCFD-SC为基础,经GPU系统的移植及优化而得。GPU程序的计算部分使用CUDA编程,确保所有算术运算都在GPU上完成。【结果】利用GPU程序OpenCFD-SCU,进行了来流Mach数6,6°攻角钝锥边界层转捩的直接数值模拟,得到了转捩过程中的时空演化流场。针对这一算例,GPU程序OpenCFD-SCU与CPU程序OpenCFD-SC相比,实现了60倍的加速效果(单GPU卡对单CPU核心),大大加速了DNS计算过程。【结论】未来,相信会有更多高超声速湍流模拟选择在GPU上开展。     

层流扩散燃烧在GPU上的并行计算和数值分析

在实际工程应用中,使用传统的CPU串行计算来开展燃烧数值模拟往往难以满足对模拟速度的要求。利用GPU比CPU更强的计算能力,通过在交错网格上将燃烧物理方程离散化,使用预处理稳定双共轭梯度法(PBiCGSTAB)求解离散化方程,并且探索面向GPU编程的矩阵向量乘并行算法和逆矩阵向量乘并行算法,从而给出一种在GPU上数值求解层流扩散燃烧的可行方法。实验结果表明,GPU并行程序获得了相对串行CPU程序约10倍以上的加速效果,且计算结果与实际情况相符,因而所提方法是可行且高效的。     

Direct numerical simulation of turbulent flows with chemical reaction

Results from full turbulence simulations incorporating the effects of chemical reaction are compared with simple closure theories and used to reveal some physical insights about turbulent reacting flows. Pseudospectral methods for homogeneous turbulent flows with constant physical and thermal properties in domains as large as 64³ Fourier modes were used for these simulations. For the case of nonpremixed flows involving a two-species, second-order, irreversible chemical reaction, it is found that the scalar dissipation microscale is only a weak function of the reaction rate and that chemical reaction contributes very little to the decay of the variance of the reactant concentration. Examination of local values of the velocity and concentration fields shows that the local reaction rate is highest in regions of the greatest rates of strain and that vorticity tends to align with the reaction zone. Finally, difficulties associated with the evaluation of multipoint pdf's and with the archival of time-dependent data from the threedimensional simulations are described.Presented at the Second Nobeyama Workshop on Fluid Mechanics and Supercomputers, Nobeyama, Japan (September 1987).     

基于EnSight的数值仿真可视化系统设计与实现

为提高数值仿真后处理的效率,满足分布式仿真系统在数值仿真数据方面的可视化需求以及实现仿真试验过程的可视化,基于EnSight的二次开发开展数值仿真可视化系统设计.提出基于Qt开发框架的系统集成、基于Python的功能开发和基于Socket的通信接口开发,实现具有协同功能的数值仿真可视化系统.该系统采用模板化技术实现带场景的可视化和快速后处理功能.给出系统架构、组成、实现效果及应用案例.应用结果表明：该系统能够适应多仿真类型结果分析,实现动态仿真过程的协同可视化.     

强化悬浮式分解炉内煤粉燃烧过程模拟的研究

分解炉是新型干法水泥生产线上预分解技术的核心设备和关键技术装备之一,其性能优劣直接影响到系统能耗、环保排放以及整个系统的生产效率。将数值模拟方法应用于分解炉的复杂燃烧过程研究,以强化悬浮式分解炉为研究对象,结合气固二相流理论,对煤粉的燃烧模拟采用非预混燃烧模型,对挥发份的燃烧采用概率密度函数模型,焦碳的燃烧采用表面反应PDF模型,挥发份的析出模型选用两步竞争反应模型,燃烧的辐射传热采用P-1模型进行模拟。数值计算采用二阶迎风差分和SIMPLE算法,求解方程采用TDMA逐面迭代和低松弛因子。对分解炉内煤粉的燃烧过程进行的数值模拟揭示分解炉内煤粉的燃烧机理,为煤粉内优化燃烧提供理论依据和有利的信息。     

Quenching phenomenon in a fractional diffusion equation and its numerical simulation

ABSTRACT

In this paper, we introduced a fractional diffusion equation with degenerate source term. The fractional derivative, acting on the spatial variable, contains left-sided Caputo derivative and right-sided Riemann–Liouville derivative simultaneously. Due to the symmetry property of such fractional derivative pattern, the existence of quenching phenomenon is verified and the quenching time is estimated under certain settings of parameters. An numerical example is carried out by using a finite-difference scheme with uniform and non-unique mesh, which demonstrates the theoretical analysis of this model and presents several significant relation between order of derivatives and size of spatial domain.     

外弹道可视化仿真研究与实现

当前对于炮弹外弹道的研究主要以数据处理分析为主,缺乏以动态实时直观的仿真方式对外弹道进行分析和处理。在介绍了外弹道数学模型,分析了各种数值仿真方法的基础上,通过构建基于OpenGL的三维视景仿真环境和基于Matlab的二、三维坐标轴,实现了基于数值仿真实时驱动的弹道可视化仿真平台,借助此平台对炮弹的飞行轨迹、实时运动姿态及落点散布进行了仿真验证和分析,得到了不同风速对炮弹飞行轨迹的影响程度。     

Extension of a combined analytical/numerical initial value problem solver for turbulent mixing with combustion

Here, we describe the development of a reacting flow multi-species/combustion methodology, implemented as an extension to the differential reduced ejector analysis (DREA) computer program [Mathematical and computer modeling, vol. 31, 2000, p. 21; Appl. Math. Model. 25 (2001) 427; Comput. Math. Appl. 43(10–11); NASA Contractor Report, 1998]. Use of the single fluid IVP solver framework that was developed for the original DREA model has been directly coupled into the combustion formulation. With these modifications, the analysis has an elementary single step reaction Fuel+Oxidizer→Product combustion capability. Though approximate in nature, the simplicity and efficiency of the DREA formulation make it suitable for its original niche, namely design and preliminary design environments where more complex and expensive models may be inappropriate.