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使用并行计算缸内柴油喷雾燃烧模拟：绩效基准研究。
（In-cylinder diesel spray combustion simulations using parallel computation: A performance benchmarking study）
文章信息
文章历史
2011年8月18日受到初稿
2011年11月8日收到修订稿
2011年12月1日采纳
2011年12月29日网上发布
关键词
柴油机、燃烧、化学动力学
摘要
在现在的研究中，用因特尔至强四核处理器来演示柴油机缸内燃烧的模拟用流体力学和化学动力学代替柴油机燃油模型在多任务处理器上同时解决。在文章中，笛卡尔的Z坐标被选为最合适的分割算法，因为例如有关燃油颗粒运动轨迹的动态负荷的计算的分割领域在并行计算时被均等平分。其他的实验变量包括计算节点的数目，化学的型号，非结构化自适应列表法的参数。基于被引导的基准实验现象，发现4计算节点的并行结构通过最高可达75.4%的并联效率能最高效的减少计算运行时间。仿真结果还表明，精度级别对分区数或分区算法不敏感。减少计算运行时间的物种数量比减少反应次数更为显着。此外，研究表明，ISAT最大存储容量增加到2GB使计算运行时间减少了50％。此外，选择10-3的ISAT容差是为了在结果准确度和计算运行时间之间取得平衡。在并行处理和ISAT中优化的参数以及内部简化化学模型的使用允许精确的结果以减少的计算运行时间，特别是在标准计算平台上模拟缸内反应喷射和烟尘特性。
2011年Elsevier有限公司保留所有权利。
1，简介
随着近年来计算机技术的进步和数学模型的发展，三维计算越来越多的建模已经成为现实。流体动力学（3-D CFD）作为发动机研究人员探索缸内流场[1,2]，传热[3]，剥离长度[4,5]，燃烧形成过程[6- 14]。已发表的关于多维发动机燃烧模型的研究的特点和发射大部分都是基于洛斯阿拉莫斯国家实验室的，而且这些研究常常是由用户修改的。此外，OpenFOAM，FIRE，STAR-CD和ANSYS FLUENT等其他一些代码也证明了它们处理发动机内喷雾，自燃和反应流的多维计算能力。由于涉及到基本的化学反应动力学和多维CFD模型的整合，柴油自燃/燃烧和排放形成的模型是复杂的。另外，相关的计算成本通常很高，因为CFD域内的每个单元被假定为单独的反应器。针对反应器模型描述的常微分方程系统通常是僵硬的，这意味着在时间尺度上的大的差异反应堆系统中不同物种的演变存在。因此，这些刚性常微分方程的直接积分是耗时的，特别是当使用详细的化学反应时。柴油喷雾燃烧的模拟研究表明，大部分计算运行时间致力于解决详细的化学问题。例如，王等人[7]开展的一项研究表明，发现超过85％的计算运行时间是由化学计算引起的。类似于Belardini等人的另一项研究[9]，化学计算据说耗费了总计算运行时间的90％。当精细网格被用来准确地捕捉柴油喷射器的发展，在温度和混合分数方面在空间上是不均匀的。
然而，将化学动力学机理耦合到CFD求解器中是必不可少的，以便提供柴油燃烧和碳烟形成过程的高保真表示，这大大有助于在了解这些缸内事件。为了解决相关的长计算运行时间，一种常见的方法是使用并行计算来同时计算化学反应。这已经由Senecal等人[8]和Belardini等[9]提高柴油机燃烧模拟的计算效率。这些研究主要集中在多处理器上并行求解燃烧化学反应，而流体动力学部分是在单个处理器上求解的.Senecal等[8]使用处理速度为1.4 GHz的8节点集群并行执行计算，成功地将模拟运行时间减少到16-24小时内。在一个单独的柴油机数值研究中，Belardini等[9]强调，使用适当的分区方法有助于显着减少计算运行时间。使用八个处理器实现了超过6.8的加速，计算运行时间从34小时减少到了5小时。
除了并行处理，计算运行时间还可以简化通过减少化学动力学模型中涉及的种类和反应的数量，减少了模拟的复杂性。王等人[7]证明了计算时间大幅度从1周减少到22小时，其中89种和413种反应的详细机制被38种和69种反应的减少机制所取代[7]。然而，在结果准确性和计算性之间取得平衡是重要的化学物质/反应的过度消除可以禁止精确地表示缸内事件。
加速计算的第三种方法是通过实施存储和检索算法，即原位自适应制表（ISAT）。由Pope [16]开发的ISAT算法由Embouazza等人[17]和D#39;Errico等[13]分别采用KIVA和OpenFOAM编程进行柴油机燃烧模型的建模。燃烧化学与ISAT求解器直接结合所需的计算运行时间的比较表明，在两项研究中，加速度接近5到10倍。然而，ISAT算法要小心使用。其最大存储等控制参数必须进行优化才能充分利用中央处理单元（CPU）的可用性.ISAT算法的容错性也需要适当的校准以实现精度和计算运行时间之间的最佳折衷。
针对这些背景，本文报道的工作旨在确定柴油机燃烧缸内模拟的计算运行时间，因为不同的数值配置是通过综合性能基准测试来评估的。本文的结构是数值表达和设置是首先进行了讨论，特别强调了湍流 - 化学相互作用模型，接着对四种替代柴油机理进行了描述，其次介绍了性能基准练习。第一部分性能基准研究涉及并行处理计算的设置，其中包括分区方法的选择。这里给出了计算运行时间和结果精度对分区方法和计算节点数量的敏感性。第二部分是计算运行时当使用不同的化学机制进行比较。第三和最后部分提出了ISAT控制参数的测试，包括其最大存储量，用于制表的树的数量和容错能力。表1总结了本研究中的所有测试变量。
表1
测试变量的描述
|
分区算法 |
没有分区（Serial）* 笛卡儿R轴 笛卡儿Z坐标 |
|
并行计算 计算节点的数量 |
1* 2 4 8 |
|
化学动力学机理的减少 化学大小（物种数量/反应次数） |
50/210* 44/109 36/79 25/26 |
|
ISAT 内存（GB） |
0.1* 1 2 4 8 |
|
树的数量 |
1* 4 16 |
|
容错 |
10-4* 10-3 10-2 |
用上标星号（*）标记的情况作为比较基准。
2.数字化的制定和设置
在目前的模拟研究中，采用了基于康明斯N系列重负荷生产发动机的单缸直喷式四冲程光学柴油发动机。测试发动机的几何压缩比为11.2：1，扫气量为2.34L。进气温度和压力分别对应于384K和2.33bar。发动机速度固定在1200转/分钟，主喷射开始注射（SOI）在上死点（ATDC）后设定为-7，这里充入的气体主要由空气（体积比21％）组成，其绝热火焰峰值温度超过2700K。这些特点表征了常规柴油机燃烧的典型高温条件。实验缸内燃烧特性，烟尘体积由辛基氧化物半导体公司（CMOS）等人提供的实验测得的烟尘分布图像以及使用高速互补金属相机记录的烟灰分布图像[11]。这些实验结果被用于验证发达的数字模型和所有后续的基准测试。
2.1.CFD-啮合和模型
2.1.1.Mesh配置
通过连接一个插入式化学求解器，CHEMKIN-CFD和ANSYS FLUENT CFD代码进行数值计算。一个45扇形网格被用来代表燃烧室的八分之一，通过利用由在测试发动机的中央有8个等距的喷嘴孔。网格也占据了环形凸台，阀门和光学窗口裂缝所占据的附加体积，使得实际发动机的几何压缩比被重现。使用GAMBIT软件生成了进气门关闭时分辨率为1.7 mm和106,452个六面体单元的半细网格。发现这种配置足以产生与网格无关的结果。进一步细化至1.5mm的空间分辨率没有在预测的准确性方面产生了显着的改进，尽管所需的计算运行时间比使用半精细网格时的运行时间长60％。
2.1.2.CFD子模型
2.1.2.1。湍流 - 化学相互作用模型漩涡耗散概念（EDC）模型被实现为湍流 - 化学相互作用模型，以弥合计算化学动力学和CFD求解器[18]。通过这个模型，计算了每个反应物质的精细结构和细胞平均质量分数的反应速率。物种的质量分数通过物种运输方程由以下等式：
湍流中的质量扩散由Ji表示;而平均物种i，Si的守恒方程中的源项被模拟为从分散相中加入的生产速率.Ri是物种i化学反应的净生产速率，表示为：
在这里，rho;和Yi;分别表示密度和质量分数的单元平均值。利用方程式（3）计算精细结构的长度分数，从精细结构到过渡流体传质的时间尺度和时间尺度tau;，和（4）。
体积分数常数值Cgamma;保持在默认值2.1377。方程（4）中的时间常数Ctau;由默认值0.4083提高到0.8166。这一调整是为了增加精细结构区域的停留时间，并被作者发现是必要的在模拟和实验燃烧特性之间产生更好的一致性，特别是与缸内压力峰值相关。这些方程中的其他变量是运动粘度，湍动能和湍动能耗散率，用v， k和ε独立表示，另一方面，精细结构物种的质量分数控制方程为Yi*在公式（2）中描述为：
等式（5）的左边表示精细结构中物质的时间演化。右边的第一项描述精细结构和周围流体之间的湍流混合，Yi*作为混合物的组成进入右侧的第二项表示有限的反应速率，其中rho; *是组成Yi*的气体混合物的密度;而omega;i*是基于化学动力学机理计算的反应速率如下：
其中R是反应的总数和反应的化学计量系数r，nu;i,r由下式描述：
反应r的进度变量qr由其正向和反向反应速率的差异给出。作为反应进行所需要的第三个主体，有效的第三主体必须出现在进度变量表达式整个进度变量的速率被建模为：
k是速率常数，[Xi ]是物种i的摩尔浓度。下标f和b分别表示正向和反向反应。前向和后向反应的速率常数描述如下：
这里，R代表通用气体常数，反应r的预指数因子，温度指数和活化能分别用Ar，Br和Er表示。方程（10）中的Kcr表示反应r的平衡常数。
2.1.2.2烟尘模型当燃料物质经历氧化和纯热解时，会形成烟尘前体和表面生长物质。首先根据它们各自的气相反应计算这些物质的生成，然后将所得浓度输入烟灰模型的控制方程。在目前的模拟中，利用莫斯 - 布鲁克斯烟灰形成模型和Fenimore-Jones氧化模型[13,19]。这是为了详细研究烟尘行为的演变，因为模型考虑了烟尘的起始，表面生长，凝结和氧化然而，这些模型已经被广泛地用于预测煤和煤油的混合煤烟的发展。 [20,21]。因此，对于应用低压柴油机喷雾燃烧，莫斯 - 布鲁克斯烟灰形成和Fenimore-Jones氧化模型的模型常数值进行了校准。烟尘开始，T和表面生长的激活温度T，分别调整到16000K和7600K，以提高计算效率。此外，碰撞效率设置为0.13，而氧化比例参数从默认值1提高到5。这些模型常数的校准值保持在所有的模拟这样就可以进行模拟煤烟产生和氧化的直接比较。
2.1.2.3其他相关的CFD子模型。采用实心锥体模型进行初级喷雾雾化，而混合Kelvin Helmholtz-Rayleigh Taylor（KH-RT）模型用于二级破碎[22]。该模型使用分裂的概念长度，在分裂长度之前，只有KH分解机制被施加到液体核心，并且在分解长度之后仅应用RT分解机制。使用重整化组（RNG）k-ε模型来模拟汽缸内湍流说明了预测柴油机燃烧流动时的压缩效应[23]。
2.2。诊断柴油燃料化学模型
为了比较不同尺寸的四种化学动力学机制的计算时间和结果精度，进行了基准测试。根据瑞典查尔姆斯理工大学燃烧发动机研究中心（CERC）提出的三种化学模型[6 ]，如表
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