“天河”系列超级计算机应用成果报道--超声速流动中近壁面燃烧建模与过混合效应研究

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超燃冲压发动机是吸气式临近空间飞行器的核心动力装置，其内部受限空间里的超声速燃烧过程涉及复杂的物理化学过程，如何对其进行高效准确预示既是燃烧与高性能计算交叉学科领域中的核心科学问题，也是发展先进吸气式高速飞行器所必须突破的关键技术问题。

超声速燃烧会出现在发动机壁面附近区域，而火焰回传以及燃料喷口前缘分离燃烧区不稳定等复杂现象更是与近壁燃烧（near-wall combustion）息息相关，这些现象决定着火焰稳定乃至发动机工作性能以及主动冷却设计方案。因此，对近壁燃烧的准确建模和预示是发动机燃烧场数值研究以及通往工程实践的关键所在。

然而，传统的燃烧数值模拟方法在壁面附近会产生标量过混合效应（scalar over-mixing effect），诱导出非物理的标量演化，其表现形式为在上游产生过强的组分混合效应，使点火过早发生，并在下游产生过厚的混合反应区，导致对下游燃烧强度和燃烧效率的低估。

针对这一问题，北京临近空间飞行器系统工程研究所单繁立博士（第一作者）与清华大学航空发动机研究院侯凌云教授（通讯作者）联合团队在国际上首次提出了改进型FPV模型的概念，并在理论上建立了该模型的数学表达式，依托天河系列超级计算机对Burrows-Kurkov超燃室开展了大规模并行三维非定常数值模拟。相关成果已于近期发表在International Journal of Hydrogen Energy上。

应用成果

改进型FPV模型通过延迟与评估函数实现混合分数方差耗散率在边界层内部以及在边界层与主流区域之间的合理演化与平滑过渡，可以有效避免由于当地网格尺度变化引起的非物理的标量演化过程的出现。

团队在其自主研发的大规模CFD软件MuSCLE（Multi-Scale Combustion in Leading-edge Engines）中引入了该模型，以开展相关数值研究。MuSCLE软件由单博士主持开发，支持结构化网格、非结构化网格、动态自适应网格，兼顾可压缩耦合求解体系和不可压缩SIMPLE类求解体系，可以开展层流、湍流、反应流、两相流、稀薄流等复杂内外流模拟以及多体分离模拟，具备百亿网格、百万核极大规模并行计算能力，是国内少数同时支持天河、神威、曙光三大国产自主可控高性能计算机硬件系统的软件之一。

基于改进型FPV模型与MuSCLE软件，并借助“天河三号”原型机的强大算力支持，团队对Burrows-Kurkov超燃室开展了千核级大规模并行三维非定常数值模拟（图1），实现了对关键组分分布规律的准确预测，相比传统模型，其精度大幅提高（图2）。可以看出，传统模型预测的边界层内部（y<1.43cm）组分分布规律明显不同于试验数据，结合组分分布从边界层向主流区域的演化趋势，可见其预测的混合反应区过厚，反映燃烧强度的H2O峰值浓度偏低，而改进型FPV模型则能很好的再现相关分布规律。

图1  Burrows-Kurkov超燃室温度瞬态分布

图2  Burrows-Kurkov超燃室组分时均分布

通过对燃烧场的系统性定量分析，证实了改进型FPV模型可以使混合分数方差这一表征反应系统中反应物混合程度的物理量在近壁区域中的过度发展得到有效抑制，避免了标量过混合效应的出现，因此所预测的点火位置更为靠后（与实际情况一致），也使得混合反应区的发展更为合理，对下游燃烧强度的预测也更为准确。

基于改进型FPV模型和MuSCLE软件，团队正在开展某超燃室乙烯、正十二烷、一次/二次/重度裂解态煤油燃料百种组分复杂燃烧过程三维亿级网格非定常模拟（下方视频），计算得到的壁面压强和试验数据吻合良好，再现了燃料喷口前缘分离燃烧区不稳定现象以及火焰回传现象，进一步展现了该模型对近壁燃烧的预示与辨识能力。相关成果将在发表后进行详细报道。

上述研究工作得到了国家自然科学基金面向发动机的湍流燃烧基础研究项目支持，相关并行计算工作得到了国家超级计算天津中心的大力支持。