基于DNS的湍流反应流并行数值模拟构建及在SNCR中的应用

摘要

本文的研究内容是湍流反应流的直接数值模拟，其中也包含湍流流场的模拟。通过模拟湍流流动和湍流反应流，来加强对实验的指导。本文研究实例对象是湍流平面强射流的反应流模拟和及其在SNCR的反应流模拟中的应用。　　首先是湍流流场的模拟。其中用高精度差分格式解流场控制方程组，很好的解决了精度的问题；采用无反射边界条件、特征入流边界条件、粘性边界条件及PML缓冲区边界等边界条件解决了边界问题。　　第二，化学组分方程的求解。本文采用高精度差分格式对方程进行离散，求解。并用无反射边界条件及PML缓冲区边界解决边界及角点的问题。其中的时间步进采用龙格库塔的5步4阶完成迭代。　　第三，化学反应的计算。本文通过对CHEMKIN的API的编程实现化学反应计算，获取相关的温度变化、各个物种的浓度变化及摩尔生成率等，并较好地和流场计算、化学组分方程求解耦合起来。　　第四，化学反应机理的研究。为了更好地研究NOx与NH3的反应，本文比较了3个主要的详细反应机理对NH3还原NOx的计算效果，最后采用了PeterGlarborg&JamesA.Miller提出的详细反应机理，它和实验结果吻合较好，作为本文化学反应的详细机理。为了进一步提高程序的性能，尝试通过机理的简化来降低计算时间，同时不至影响获取计算结果的正确性。 第五，数值模拟的实现方法。本文是基于直接数值模拟(DNS)的数值模拟。DNS的实现需要极强的浮点运算能力及极高的内存，只有采用并行计算才有可能实施。本文对并行计算及其计算系统进行了研究和实践，最后采用了高性能Linux集群系统及MPICH编程平台实现数值模拟。另外，本文研究了三对角方程组的并行算法，并且在原算法的基础上设计了新的三对角方程组的并行算法用于本文的数值模拟中方程的求解。

目录

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摘要

第一章 绪论

§1.1引言

§1.2本文研究内容

§1.3本文研究背景

§1.3.1湍流反应流研究方法

§1.3.2 DNS湍流反应流模拟的数值方法

§1.4本文目标及其研究意义

第二章 反应流直接数值模拟的数值方法

§2.1引言

§2.2基本方程

§2.2.1流场控制方程组

§2.2.2化学组分扩散方程

§2.3化学组分方程的离散方法

§2.3.1空间步进的求解

§2.3.2时间步进的求解

§2.4边界条件

§2.4.1无反射边界条件

§2.4.2入流边界条件

§2.4.3粘性边界条件

§2.4.4 PML缓冲区边界条件

§2.5计算网格划分

§2.5.1数值模拟的网格划分

§2.5.2并行计算中对网格的划分

§2.6程序设计

§2.6.1程序工作结构及流程

§2.6.2并行计算的软硬件环境

第三章 并行计算及其算法的研究

§3.1引言

§3.2并行计算模型

§3.2.1并行计算机的分类

§3.2.2高性能计算机集群

§3.2.3本文的并行计算系统

§3.3并行计算编程模型及平台

§3.3.1并行计算编程模型

§3.3.2 MPI及MPI CH

§3.4并行算法的设计与实现

§3.4.1并行算法的设计

§3.4.2三对角方程组并行算法

第四章 化学反应机理简化研究

§4.1引言

§4.2反应机理简化方法

§4.2.1反应机理简化

§4.2.2 CHEMKIN。MECHMOD及KINALC

§4.3机理简化的实现

§4.3.1复杂(完整)反应机理的选择

§4.3.2机理简化的结果分析

第五章 基于DNS的平面湍流射流反应流模拟

§5.1引言

§5.2化学反应计算及化学组分方程

§5.2.1化学反应的计算

§5.2.2化学反应时间

§5.2.3化学组分方程源项的计算方法

§5.3反应流场种各物性参数的修正

§5.3.1 M，R的计算

§5.3.2 Cp，Cv，λ，γ的计算

§5.3.3μ的计算

§5.3.4 T，ρ的计算

§5.4反应流模拟结果与分析

§5.4.1计算工况

§5.4.2反应物浓度场

§5.4.3反应对流场的作用

第六章 全文总结

§6.1结论

§6.2对今后工作的建议

参考文献

作者在攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目

致谢