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基于DNS的湍流反应流并行数值模拟构建及在SNCR中的应用

朱晨洁  
【摘要】:本文的研究内容是湍流反应流的直接数值模拟(DNS—Direct Numberical Simulation),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(Selective—Non—Catalytic NOx Reduction)的反应流模拟中的应用。 首先是湍流流场的模拟。这一部分已经由前人做了基础性工作,本文进一 步完善。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(Perfectly Matched Layer.buffer zone) 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Peter GlarborgJames A.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。


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