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．

在本研究中，我们使用不连续有限元方法进行空间离散，旨在通过自由改变每个计算单元内的近似阶数来显着降低湍流燃烧模型的计算成本。换句话说，条件标量维度的4维空间中的高成本矩计算以低阶精度近似，3维流体计算以高阶精度近似以降低成本。成功的关键是能够在足够高的阶数（四阶或更高阶）下稳定地进行流体计算。今年，为了使用高阶精度方案稳定计算燃烧流中具有大密度梯度的界面，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。虽然多项式限制器具有优异的鲁棒性，可以应用于密度比数百倍的超临界压力燃烧，但发现在界面附近精度明显下降，失去了高阶精度方案的优势。另一方面，尽管 THINC 方法即使与高阶精度方案结合也能保持分辨率，但目前在高密度比的界面上无法提供足够的稳定性。该方法的另一个特点是 GPU 加速，它是使用 OpenACC 移植的，它向程序添加了指令行。我们已经证实，燃烧求解器中经常使用的循环内子程序调用、化学物质的小循环及其多重循环会成为瓶颈，并显着降低计算速度。针对这个问题，我们发现可以通过使用表参考回归模型来简化复杂的子程序（例如混合物的传输系数），并且可以消除速度延迟。