AECSC-JASMIN湍流燃燒仿真軟件研發(fā)和檢驗(yàn)

王方，王煜棟，姜?jiǎng)倮?，陳軍，唐軍，徐華勝，李象遠(yuǎn)，邢競(jìng)文，高東碩，金捷

1.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100191 2.北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所，北京 100088 3.中物院高性能數(shù)值模擬軟件中心，北京 100088 4.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610599 5.四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，成都 610065

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究需要應(yīng)用高精度數(shù)值模擬技術(shù)。燃燒室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中的湍流燃燒現(xiàn)象存在強(qiáng)烈非線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)研究難度大、耗時(shí)長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高，迫切需要高保真、高精度的數(shù)值模擬技術(shù)。擁有先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的國(guó)家在燃燒室數(shù)值模擬軟件的研發(fā)中都投入了大量資金與科研力量，開(kāi)發(fā)了可用于燃燒室設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬軟件，如美國(guó)的國(guó)家燃燒仿真代碼(NCC)等。近年來(lái)，中國(guó)越來(lái)越重視發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)和軟件?；谥袊?guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)算力的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)燃燒室復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部湍流流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)及燃料液滴蒸發(fā)相互非線性耦合關(guān)系，開(kāi)發(fā)大規(guī)模并行、適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的兩相湍流燃燒仿真軟件具有重要意義。

北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真研究中心(北航仿真中心)與英國(guó)帝國(guó)理工William Jones教授合作在Boffin程序基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出基于LES-TPDF(Large-Eddy Simulation-Transported Probability Density Function)方法的兩相湍流燃燒數(shù)值模擬軟件AECSC 2.0(Aero Engine Combustor Simulation Code 2.0)，已被應(yīng)用于多種場(chǎng)合的兩相湍流燃燒計(jì)算并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性[1-3]。北航仿真中心與北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所、中國(guó)工程物理研究院高性能數(shù)值模擬軟件中心合作研發(fā)的AECSC-JASMIN，將大渦模擬(LES)與概率密度函數(shù)輸運(yùn)方程湍流燃燒模擬方法(TPDF)和JASMIN(并行自適應(yīng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格應(yīng)用支撐軟件)大規(guī)模并行計(jì)算框架、浸沒(méi)邊界方法及正交均勻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格耦合，形成幾何高保真湍流燃燒高分辨率的仿真軟件。其串行部分由AECSC 2.0軟件發(fā)展而來(lái)，二者在兩相湍流燃燒模擬中算法一致；網(wǎng)格生成與并行框架采用北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所研制的面向結(jié)構(gòu)網(wǎng)格應(yīng)用的JASMIN框架。JASMIN框架面向現(xiàn)代高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)高效并行計(jì)算，由底至上采用并行自適應(yīng)支撐層、數(shù)值共性層、應(yīng)用接口層的分層結(jié)構(gòu)，已成功應(yīng)用于武器物理、多介質(zhì)輻射流體力學(xué)[4]、激光聚變[5]、計(jì)算電磁學(xué)和位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)[6-7]等多種領(lǐng)域。

高分辨率、高精度的燃燒室數(shù)值模擬是燃燒仿真的熱點(diǎn)之一。莫妲等[8]采用ICEMCFD(The Integrated Computer Engineering and Manufacturing Code for Computational Fluid Dynamics)劃分423萬(wàn)網(wǎng)格對(duì)三旋流燃燒室進(jìn)行模擬，出口溫度分布與實(shí)驗(yàn)值符合較好。丁勇能等[9]采用ICEMCFD繪制1.7億網(wǎng)格對(duì)重型燃?xì)廨啓C(jī)的單筒燃燒室進(jìn)行數(shù)值模擬，得到分辨率較高、準(zhǔn)確性較好的燃燒場(chǎng)模擬結(jié)果。對(duì)于燃燒室復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，采用ICEMCFD等軟件劃分大規(guī)模網(wǎng)格難度較高，耗費(fèi)大量時(shí)間，且網(wǎng)格質(zhì)量難以保證。大規(guī)模高質(zhì)量網(wǎng)格的劃分是燃燒室高分辨率仿真的難點(diǎn)之一。采用大規(guī)模網(wǎng)格使計(jì)算量增大，需要性能極高的計(jì)算設(shè)備以及大量的計(jì)算時(shí)間[10]，提高非定常數(shù)值模擬的可擴(kuò)展性和計(jì)算效率十分必要[11]。在燃燒數(shù)值模擬中，湍流流動(dòng)計(jì)算方法呈現(xiàn)以大渦模擬為主的趨勢(shì)。Zhou等[12]采用動(dòng)態(tài)亞網(wǎng)格模型和大渦模擬對(duì)兩級(jí)反向旋流燃燒室單頭部構(gòu)型進(jìn)行數(shù)值模擬，得出高分辨率、高精度的計(jì)算結(jié)果。

本文首先介紹AECSC-JASMIN軟件研發(fā)工作，其次采用AECSC-JASMIN軟件模擬射流火焰算例、支板火焰穩(wěn)定器算例和單頭部燃燒室算例，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)軟件。在射流火焰算例中模擬3種不同的工況，對(duì)比多個(gè)截面的溫度脈動(dòng)均方根以及時(shí)均溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果檢驗(yàn)軟件湍流燃燒模擬是否準(zhǔn)確。在兩相支板火焰穩(wěn)定器算例中，對(duì)比新研發(fā)軟件AECSC-JASMIN、商用軟件Fluent、舊版軟件AECSC 2.0模擬得到的出口時(shí)均溫度分布數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)新軟件在較復(fù)雜模型兩相湍流燃燒模擬中是否可行。之后，基于對(duì)真實(shí)燃燒室單頭部模型的模擬檢驗(yàn)AECSC-JASMIN軟件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室數(shù)值模擬應(yīng)用的可行性，探索燃燒室模擬技術(shù)的技術(shù)途徑。

1 計(jì)算模型與方法

1.1 湍流和湍流燃燒模型

大渦模擬通過(guò)濾波函數(shù)對(duì)流動(dòng)變量過(guò)濾，尺度較大的變量直接求解，尺度較小的變量使用亞網(wǎng)格模型模擬。模擬精度高于雷諾平均方法而計(jì)算量小于直接數(shù)值模擬(DNS)，在湍流燃燒模擬的工程應(yīng)用中較為實(shí)用。軟件采用動(dòng)態(tài)Smagorinsky-Lilly亞網(wǎng)格應(yīng)力模型進(jìn)行湍流場(chǎng)計(jì)算、隨機(jī)場(chǎng)概率密度函數(shù)輸運(yùn)方程方法計(jì)算湍流燃燒相互作用，可以耦合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。

對(duì)于湍流和化學(xué)反應(yīng)都重要的燃燒過(guò)程，概率密度函數(shù)輸運(yùn)方程方法能夠比較準(zhǔn)確模擬湍流與化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈相互作用，結(jié)合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，在不假設(shè)組分空間低維流形時(shí)封閉平均化學(xué)反應(yīng)速率，對(duì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的剛性要求較其他湍流燃燒模型更低。

Jaberi等[13]在大渦模擬中應(yīng)用等擴(kuò)散系數(shù)假設(shè)，將Favre濾波后的隨機(jī)場(chǎng)輸運(yùn)方程表示為

(1)

(2)

最后經(jīng)大渦濾波后得到

(3)

AECSC軟件采用了二階中心差分的空間離散格式和Crank-Nicholson的時(shí)間離散格式。軟件中還采用了隱式低馬赫數(shù)方程、壓力平滑算法、半隱式壓力方程SIMPLE算法等。

1.2 網(wǎng)格生成及并行計(jì)算

基于JASMIN并行框架重構(gòu)AECSC程序，采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，將數(shù)值計(jì)算與并行方法分離。采用構(gòu)件模型，定制數(shù)值構(gòu)件并組裝計(jì)算流程以規(guī)范數(shù)值計(jì)算子程序。重新設(shè)計(jì)的AECSC-JASMIN架構(gòu)如圖1所示。

圖1 AECSC-JASMIN軟件架構(gòu)圖

AECSC-JASMIN加入了正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的自動(dòng)生成算法，通過(guò)指定計(jì)算域并導(dǎo)入幾何模型，自動(dòng)構(gòu)建正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面，替換原AECSC中module型數(shù)組以適應(yīng)高性能計(jì)算體系結(jié)構(gòu)，提高并行效率。改造原軟件中數(shù)值計(jì)算模塊，將內(nèi)存調(diào)度、輸入輸出、數(shù)據(jù)通信功能從數(shù)值計(jì)算子程序中分離。

浸沒(méi)邊界方法(IBM)由Peskin[14-16]最早提出，用于計(jì)算流固耦合中物理邊界與網(wǎng)格邊界不一致時(shí)的流固耦合問(wèn)題。采用正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，極大程度上減少了網(wǎng)格劃分和加密的工作量。浸沒(méi)邊界方法在流體網(wǎng)格的邊界處添加δ函數(shù)作為強(qiáng)迫外力源項(xiàng)實(shí)現(xiàn)無(wú)滑移邊界條件。AECSC-JASMIN程序中設(shè)計(jì)了針對(duì)半隱式速度壓強(qiáng)耦合求解的浸沒(méi)邊界處理方法并在源程序中增加邊界條件處理模塊，支撐程序使用框架自動(dòng)生成的正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，該網(wǎng)格包含固體與流體，整體呈立方體形，通過(guò)網(wǎng)格點(diǎn)的變量“tflag”的值區(qū)分流場(chǎng)區(qū)域和固壁區(qū)域。以射流火焰算例為例，其網(wǎng)格外觀如圖2所示，其他算例的網(wǎng)格與之相似。

圖2 射流火焰算例網(wǎng)格

AECSC-JASMIN中還重構(gòu)了輸入輸出模塊，使輸入文件格式清晰。輸出模塊中采用了JASMIN框架的JaVis數(shù)據(jù)輸出器，提高海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出性能。

2 算例模擬結(jié)果及討論

為測(cè)試采用第1節(jié)算法的自研軟件AECSC-JASMIN的準(zhǔn)確性及實(shí)際應(yīng)用的可靠性，按照氣相、兩相湍流燃燒測(cè)試的順序，分別選取射流火焰Flame-D、Flame-E、Flame-F算例，兩相支板穩(wěn)焰算例進(jìn)行測(cè)試，并將模擬結(jié)果分別與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果或已驗(yàn)證正確的模擬結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

2.1 射流火焰算例

為驗(yàn)證AECSC-JASMIN版本軟件對(duì)于湍流燃燒計(jì)算的準(zhǔn)確性，選取Sandia實(shí)驗(yàn)室的湍流射流火焰實(shí)驗(yàn)[17]的Flame-D、Flame-E、Flame-F作為檢驗(yàn)算例，并將計(jì)算溫度場(chǎng)與Barlow和Frank[18]的實(shí)驗(yàn)溫度測(cè)量結(jié)果以及舊版軟件AECSC 2.0的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

按照Sandia實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，射流火焰噴射燃燃料的內(nèi)噴口直徑為7.2 mm，噴射高溫導(dǎo)流氣體的外噴口直徑為18.2 mm，內(nèi)外噴管壁厚均為0.25 mm。

圖2展示了射流火焰算例所使用的全場(chǎng)尺寸均勻的630萬(wàn)網(wǎng)格?？紤]到本算例中網(wǎng)格尺寸為1.33 mm，大于實(shí)驗(yàn)所用噴管壁厚，因此算例中直接在進(jìn)口的管壁處設(shè)置一層速度為0的網(wǎng)格，不單獨(dú)設(shè)置管壁的厚度。本算例噴嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示，內(nèi)噴口噴射溫度為293 K、比例為1∶3的甲烷燃料與空氣的混合氣，外噴口噴射溫度為1 880 K(Flame-D、Flame-E)或1 860 K(Flame-F)的空氣，高溫空氣將直接引燃內(nèi)噴口噴射的燃料。Flame-D、Flame-E、Flame-F的雷諾數(shù)分別為22 400、33 600、44 800，射流速度分布如圖4所示。

圖3 射流火焰實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖

圖4 Flame-D、Flame-E和Flame-F的速度分布

在射流火焰算例的湍流燃燒模擬中，3個(gè)算例計(jì)算所用網(wǎng)格皆為630萬(wàn)正方體網(wǎng)格。在基本保證計(jì)算精度的條件下，為了盡量加快計(jì)算速度，采用2個(gè)隨機(jī)場(chǎng)計(jì)算燃燒反應(yīng)。每個(gè)算例使用192個(gè)核心計(jì)算至2萬(wàn)時(shí)間步，在每個(gè)時(shí)間步中CFL數(shù)(收斂條件判斷數(shù))取0.2～0.3計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)。射流火焰算例中，平均每個(gè)算例需消耗132 225核小時(shí)(并行計(jì)算總核數(shù)與以小時(shí)為單位的計(jì)算時(shí)間之積)計(jì)算得到，每千步約需6 611核小時(shí)。

圖5、圖6展示了3種射流火焰算例計(jì)算至最終2萬(wàn)時(shí)間步時(shí)的瞬態(tài)速度云圖和溫度云圖。

圖5 Flame-D、Flame-E和Flame-F的速度云圖

圖6 Flame-D、Flame-E和Flame-F的溫度云圖

在計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)后，開(kāi)始統(tǒng)計(jì)溫度數(shù)據(jù)，直至計(jì)算結(jié)束，得到時(shí)均溫度以及溫度脈動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別選取3種火焰中部的4個(gè)截面，對(duì)AECSC-JASMIN模擬結(jié)果的平均溫度場(chǎng)，作平均溫度分布曲線，并與實(shí)驗(yàn)值及AECSC 2.0的計(jì)算值對(duì)比。取樣的4個(gè)截面Z/D分別為7.5、15.0、30.0、45.0，其中Z為射流方向坐標(biāo)，D為內(nèi)噴口直徑。取以上4個(gè)截面并對(duì)比模擬結(jié)果中的時(shí)均溫度分布以及溫度脈動(dòng)分布。

從圖7～圖9中可以看出，AECSC-JASMIN計(jì)算得到的時(shí)均溫度場(chǎng)分布與實(shí)驗(yàn)值及AECSC 2.0計(jì)算值基本相符。下面繼續(xù)對(duì)模擬中與實(shí)驗(yàn)中射流火焰算例Flame-D、Flame-E、Flame-F的溫度脈動(dòng)分布進(jìn)行對(duì)比。

圖7 AECSC-JASMIN、AECSC 2.0模擬Flame-D算例的時(shí)均溫度分布與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖8 AECSC-JASMIN、AECSC 2.0模擬Flame-E算例的時(shí)均溫度分布與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖9 AECSC-JASMIN、AECSC 2.0模擬Flame-F算例的時(shí)均溫度分布與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

由圖10～圖12可知，AECSC-JASMIN軟件模擬結(jié)果中的溫度脈動(dòng)與AECSC 2.0計(jì)算值、實(shí)驗(yàn)值基本相符。表明AECSC-JASMIN對(duì)湍流燃燒時(shí)均溫度場(chǎng)和溫度脈動(dòng)場(chǎng)的模擬具有較好的準(zhǔn)確性和較高的精度，能夠準(zhǔn)確地模擬湍流流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)的相互作用。

圖10 AECSC-JASMIN、AECSC 2.0模擬Flame-D算例的溫度脈動(dòng)分布與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖11 AECSC-JASMIN、AECSC 2.0模擬Flame-E算例的溫度脈動(dòng)分布與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖12 AECSC-JASMIN、AECSC 2.0模擬Flame-F算例的溫度脈動(dòng)分布與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

經(jīng)驗(yàn)證，AECSC-JASMIN軟件對(duì)湍流燃燒溫度場(chǎng)的模擬較為準(zhǔn)確，下文將模擬支板火焰穩(wěn)定器算例以進(jìn)一步驗(yàn)證該軟件對(duì)于較復(fù)雜模型兩相湍流燃燒模擬的精度。

2.2 支板火焰穩(wěn)定器算例

支板火焰穩(wěn)定器是加力燃燒室中常用的穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)。采用圖13所示的凹腔支板火焰穩(wěn)定器作為加力燃燒室的簡(jiǎn)化模型，并在該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行兩相湍流燃燒的模擬。

圖13 凹腔支板火焰穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)

凹腔支板火焰穩(wěn)定器采用流線型翼面設(shè)計(jì)，由3段圓弧構(gòu)成外緣輪廓，整體長(zhǎng)度108 mm，最大寬度30 mm，尾緣寬度16 mm。在支板弧度最大位置開(kāi)深度為7 mm、寬度為12 mm的凹腔。凹腔后端面與中軸線夾角30°。支板兩相湍流燃燒算例使用RP3航空煤油燃料，計(jì)算工況為設(shè)計(jì)工況，油氣比為0.007?？諝膺M(jìn)口(計(jì)算域坐標(biāo)X=0處)為馬赫數(shù)Ma=0.2、溫度1 173 K、壓強(qiáng)101 325 Pa的高溫高速空氣，初始全場(chǎng)壓強(qiáng)為101 325 Pa，通過(guò)高溫空氣進(jìn)行熱射流點(diǎn)火。實(shí)驗(yàn)時(shí)，噴油流道尺寸為700 mm×150 mm×150 mm，由3個(gè)供油點(diǎn)同時(shí)供油，實(shí)驗(yàn)照片如圖14所示。

圖14 支板火焰穩(wěn)定器噴霧燃燒實(shí)驗(yàn)照片

數(shù)值模擬時(shí)，將支板展向流道尺寸縮小為原尺寸的1/3，相應(yīng)地采用單個(gè)供油點(diǎn)，以減少計(jì)算量。計(jì)算時(shí)，支板展向邊界采用對(duì)稱(chēng)邊界條件。支板上下兩側(cè)為固壁，前部邊界為入口，后部邊界為出口。

本算例網(wǎng)格總數(shù)270萬(wàn)，全場(chǎng)網(wǎng)格尺寸為1.25 mm。網(wǎng)格由軟件自動(dòng)生成，大規(guī)模并行計(jì)算的負(fù)載均衡由JASMIN框架實(shí)現(xiàn)。計(jì)算至4萬(wàn)時(shí)間步共需8 320核小時(shí)，每1 000步需208核小時(shí)。

圖15為在AECSC-JASMIN軟件中采用四步機(jī)理模擬支板火焰穩(wěn)定器某穩(wěn)定燃燒工況得到的瞬態(tài)溫度分布云圖。四步機(jī)理模擬凹腔支板火焰穩(wěn)定器兩相湍流燃燒時(shí)，蒸發(fā)后的煤油在支板前緣有燃燒放熱現(xiàn)象。支板的凹腔部分有明顯的高溫區(qū)，存在駐定火焰，尾緣部分火焰溫度最高。這證明支板火焰穩(wěn)定器的凹腔和尾緣都對(duì)湍流火焰有穩(wěn)定作用，在本文工況下，煤油燃燒放熱過(guò)程主要在支板尾緣進(jìn)行。

圖15 AECSC-JASMIN計(jì)算得到的支板火焰穩(wěn)定器噴霧燃燒瞬態(tài)溫度云圖

將AECSC-JASMIN采用烷烴四步機(jī)理計(jì)算得到的出口溫度分別與AECSC 2.0烷烴四步機(jī)理的計(jì)算結(jié)果、Fluent擴(kuò)散火焰面的計(jì)算結(jié)果及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖16所示。其中，AECSC 2.0采用貼體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格及粒子反彈的壁面條件，其他參數(shù)及反應(yīng)機(jī)理與AECSC-JASMIN一致。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，AECSC-JASMIN算例結(jié)果與AECSC 2.0計(jì)算結(jié)果基本一致。

在出口截面沿計(jì)算域Y軸方向(圖13～圖15所示平面中垂直于流向的方向)統(tǒng)計(jì)時(shí)均溫度沿Y坐標(biāo)的分布。

結(jié)合圖16、表1、表2，AECSC-JASMIN軟件模擬得到的出口溫度分布計(jì)算結(jié)果與采用貼體網(wǎng)格的舊版軟件模擬結(jié)果一致并且與實(shí)驗(yàn)值相符。

表1 不同軟件計(jì)算的出口溫度分布及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖16 不同軟件計(jì)算得到的出口溫度分布曲線及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2中，AECSC-JASMIN平均相對(duì)誤差為5.514%，最大相對(duì)誤差為6.38%。AECSC 2.0平均相對(duì)誤差為2.964%，最大相對(duì)誤差為7.76%。AECSC-JASMIN平均誤差比AECSC 2.0更大，AECSC-JASMIN軟件所計(jì)算的算例網(wǎng)格全場(chǎng)尺寸一致，無(wú)局部加密算法，網(wǎng)格尺寸為1.25 mm，而AECSC 2.0算例的網(wǎng)格進(jìn)行過(guò)局部加密，最小尺寸為0.2 mm，網(wǎng)格分辨率更高，在支板模型附近的計(jì)算精度高于AECSC-JASMIN。

表2 各軟件計(jì)算的出口溫度分布與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差

在表2中對(duì)比Fluent計(jì)算結(jié)果以及AECSC-JASMIN計(jì)算結(jié)果。Fluent火焰面模型模擬得到的出口溫度分布與實(shí)驗(yàn)值相比，平均相對(duì)誤差為9.454%，最大相對(duì)誤差為13.01%。Fluent計(jì)算結(jié)果的平均相對(duì)誤差與最大相對(duì)誤差皆遠(yuǎn)大于AECSC-JASMIN計(jì)算結(jié)果的平均相對(duì)誤差與最大相對(duì)誤差，由于Fluent采用了大渦模擬和火焰面模型，而AECSC-JASMIN采用了LES-TPDF方法，誤差對(duì)比結(jié)果證明了該模型的優(yōu)越性。AECSC-JASMIN軟件中采用自動(dòng)構(gòu)建正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并在其中應(yīng)用浸沒(méi)邊界方法以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成問(wèn)題，實(shí)際測(cè)試表明其計(jì)算精度仍較高。由于JASMIN框架自動(dòng)生成的網(wǎng)格全場(chǎng)尺寸一致，在保證網(wǎng)格分辨率與AECSC 2.0對(duì)應(yīng)算例相同時(shí)，所需總網(wǎng)格量與AECSC 2.0相比更大，計(jì)算量更高。但由于軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重構(gòu)以及JASMIN并行框架的應(yīng)用使得AECSC-JASMIN軟件支持大規(guī)模并行計(jì)算，因此該軟件可以進(jìn)行更加復(fù)雜的工程探索。

2.3 真實(shí)主燃燒室流場(chǎng)模擬

針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的兩相湍流燃燒仿真，AECSC-JASMIN軟件加入正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格自動(dòng)生成算法、浸沒(méi)邊界處理方法以及高效率大規(guī)模并行框架。應(yīng)用該軟件采用1.6億網(wǎng)格對(duì)圖17(對(duì)部分圖的旋流器等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高斯模糊處理)所示的某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形燃燒室的1/18構(gòu)型進(jìn)行冷態(tài)流動(dòng)模擬。

圖17 環(huán)形燃燒室1/18構(gòu)型圖

本算例中，進(jìn)口位于擴(kuò)壓器前部，即計(jì)算域中X=0平面，按無(wú)引氣時(shí)的試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬，經(jīng)壓氣機(jī)壓縮過(guò)的空氣壓強(qiáng)P3為136 610 Pa，溫度T3為290.22 K，以V3=74.4 m/s的速度流入擴(kuò)壓器，馬赫數(shù)Ma3為0.218，進(jìn)口流量W3為2.07 kg/s。

本算例采用的網(wǎng)格與圖2中射流火焰算例網(wǎng)格圖相似，為全場(chǎng)尺寸均勻的立方體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為164 123 870，即1.6億。分別將壁面網(wǎng)格、流體區(qū)域網(wǎng)格標(biāo)記后可得燃燒室?guī)缀文Ｐ途W(wǎng)格如圖18、圖19所示。

圖18 燃燒室固體壁面網(wǎng)格

由圖18、圖19可知，軟件自動(dòng)構(gòu)建的大規(guī)模(1.6億)網(wǎng)格可精確反應(yīng)燃燒室內(nèi)部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。

圖19 燃燒室流體區(qū)域網(wǎng)格(中央截面)

本算例中，軟件自動(dòng)生成1.6億網(wǎng)格后采用480個(gè)核心計(jì)算至3.8萬(wàn)步。關(guān)閉噴霧模塊與PDF模塊，僅計(jì)算流動(dòng)場(chǎng)時(shí)，共需519 840核小時(shí)，每千步約需13 680核小時(shí)。

圖20展示了仿真得到的燃燒室內(nèi)部流線。單頭部燃燒室中流動(dòng)復(fù)雜，旋流器附近的流場(chǎng)中含大量渦結(jié)構(gòu)。

圖20、圖21展示了采用AECSC-JASMIN模擬真實(shí)環(huán)形燃燒室1/18構(gòu)型內(nèi)部流動(dòng)得到的流線圖和瞬態(tài)速度場(chǎng)，可知模擬結(jié)果流場(chǎng)宏觀特性與實(shí)驗(yàn)相符。

圖20 燃燒室算例的流線圖

圖21 燃燒室算例的瞬態(tài)速度分布

表3展示了主燃燒室單頭部模型流場(chǎng)部分參數(shù)的實(shí)驗(yàn)值與AECSC-JASMIN軟件的模擬值，由表3可知實(shí)驗(yàn)測(cè)量的總壓恢復(fù)系數(shù)σ34等關(guān)鍵流場(chǎng)數(shù)值和軟件模擬值一致。

表3 實(shí)驗(yàn)值與模擬值的流場(chǎng)參數(shù)對(duì)比

3 結(jié) 論

介紹了基于LES-TPDF方法及浸沒(méi)邊界法的自研兩相湍流燃燒軟件AECSC-JASMIN的湍流燃燒相關(guān)算法以及軟件架構(gòu)。之后應(yīng)用該軟件計(jì)算射流、支板、燃燒室算例，將計(jì)算結(jié)果與其他軟件模擬結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，檢驗(yàn)了AECSC-JASMIN軟件在兩相湍流燃燒數(shù)值模擬中的準(zhǔn)確性及工程應(yīng)用可行性。

數(shù)值計(jì)算算法方面，AECSC-JASMIN軟件采用LES-TPDF方法計(jì)算湍流燃燒，采用正交結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和浸沒(méi)邊界方法簡(jiǎn)化網(wǎng)格生成并處理邊界條件。軟件架構(gòu)方面，采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，將數(shù)值計(jì)算與并行方法分離，采用構(gòu)件模型，定制數(shù)值構(gòu)件并組裝計(jì)算流程以規(guī)范數(shù)值計(jì)算子程序，采用JASMIN并行框架，滿(mǎn)足高分辨率高效大規(guī)模并行數(shù)值模擬的工程需要。

在軟件檢驗(yàn)部分，應(yīng)用該軟件計(jì)算氣相射流火焰算例和兩相支板火焰穩(wěn)定器算例并將計(jì)算結(jié)果與其他仿真軟件的模擬結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該軟件在射流火焰模擬中多截面溫度脈動(dòng)和平均溫度分布與AECSC 2.0模擬結(jié)果及實(shí)驗(yàn)值相符，并且在兩相支板算例中該軟件模擬得到的出口溫度與其他數(shù)值模擬結(jié)果及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)貼合較好，表明該軟件在湍流燃燒模擬精度較高，驗(yàn)證了該軟件的正確性和準(zhǔn)確性。最后采用AECSC-JASMIN實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)環(huán)形燃燒室1/18構(gòu)型的1.6億網(wǎng)格大規(guī)模并行流動(dòng)模擬，得到了燃燒室精細(xì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，燃燒室流動(dòng)宏觀特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)基本相符，流場(chǎng)中總壓損失系數(shù)等重要參數(shù)與實(shí)驗(yàn)值一致。算例檢驗(yàn)表明AECSC-JASMIN軟件對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)的兩相湍流燃燒數(shù)值仿真具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，且隨著計(jì)算機(jī)算力的提高，在大規(guī)模并行湍流燃燒數(shù)值模擬中具有良好的發(fā)展前景，可以進(jìn)一步探索。