DIMAXER革命性高解析度工业软件

　　工业燃烧领域，常包含预混与非预混两种燃烧模式，氧化剂与燃料是否预先混合。在此基础上由于不同燃料的分子量差异，衍生出诸如气体燃烧，液体燃烧，固体燃烧或多种体系燃料混烧等工业场景。一般来说，燃料分子量越大，燃烧机理越复杂，模拟越困难。DIMAXER软件提供非预混燃烧模拟功能，可实现喷气发动机、内燃机、燃气轮机、锅炉等设备在非预混场景下的模拟能力。

　　由于燃料燃烧过程中化学反应刚性强，并且湍流与化学反应的相互作用导致直接求解极为困难，因此简化燃烧反应过程的模型极其重要，是能实现大规模工业场景模拟的必要条件。EDM(Eddy Dissipation Model，涡耗散模型)是一种用于湍流燃烧模拟的模型，广泛应用于描述非预混燃烧的反应速率。该模型基于湍流的能量耗散过程，假设湍流是反应速率的主要控制因素。EDM模型的模拟思想是，湍流通过涡的形成与耗散，将动能转化为热能，从而促进反应物的混合与燃烧。在高湍流强度的流场中，燃烧速率与涡的耗散密切相关，因此，EDM模型可以通过耗散率来估算反应速率。因此，在EDM模型中，涡的准确模拟是实现燃烧的高精度模拟的最核心要素。

　　DIMAXER软件采用LES实现流场准确模拟，可实现涡生成及耗散的准确预测。将DIMAXER软件的LES模拟与EDM模型结合具有显著优势，可以更准确地描述复杂的湍流-燃烧相互作用，为燃烧模拟提供了一种高效且精准的工具。

　　模型几何及网格

　　Siemens SGT80是西门子开发的小型燃气轮机，采用非预混方式实现甲烷与空气的燃烧，该燃气轮机燃烧室几何及网格如下图所示：

　　燃烧室几何与网格

　　(模型参考文献：Janus, B., 2005, PhD Thesis, TU Darmstadt)

　　模拟工况

　　·燃烧室压力：2bar

　　·燃料入口：206426Pa，368K，0.0014kg/s

　　·一次风入口：204553Pa，623K，0.03kg/s

　　·二次风入口：200473.2Pa，623 K，0.045kg/s

　　·燃烧室出口：200000Pa

　　·反应机理：甲烷-空气两步反应EDM模型

　　CH4+1.5O2=CO+2H2O

CO + 0.5O2=CO2

　　计算结果

　　DIMAXER高精度计算通过创新的数值方法实现了大规模工程问题的超高效求解。此算例采用200万结构化网格，基于K3高阶数值格式(四阶精度离散方案)，每个网格单元内布设64个求解点，通过8卡4090 GPU，仅需7天即可完成1.3亿求解点的超大规模计算任务。这种突破性计算能力特别适用于对时空分辨率要求严苛的多尺度复杂湍流燃烧模拟，如航空发动机、燃气轮机、内燃机等。DIMAXER软件计算得到的燃烧结果如下，可以清晰看到组分场及温度场的不均匀性，流场扰动更为剧烈也更接近现实中的物理情形。

　　中心截面速度场分布云图(m/s)

　　中心截面甲烷分布云图

　　中心截面CO2分布云图

　　中心截面温度场云图

　　定量对比结果

　　对于燃烧过程的模拟研究，最为关键的两个参数是燃烧组分分布及温度。特别是火焰沿着其发展方向的截面平均温度及组分分布，对于提高燃烧器的效率和改善设计具有至关重要的作用。

　　首先，燃烧的组分对燃烧过程有着直接的影响。燃料和氧化剂的配比决定了燃烧的效率和产物的组成。例如，过量空气会导致燃烧熄火及火焰温度过低情形;而过量燃料则会造成燃料浪费及未燃物质的污染排放。因此，在设计燃烧器时，精确控制燃料与空气的混合比例，是确保燃烧高效和低污染的基础。

　　温度则是燃烧过程中另一个至关重要的参数。温度不仅影响燃烧速率，还会决定火焰的稳定性和热负荷的分布。火焰的温度分布，尤其是沿着火焰发展方向的截面平均温度，直接影响着燃烧器的性能和结构要求。在燃烧中，火焰的核心温度通常较高，而边缘温度较低。如果在火焰的不同截面上，温度分布不均匀，可能会导致局部过热或者燃烧不完全，进而影响热效率和设备寿命。

　　这里对比了DIMAXER与其他软件的沿火焰发展方向的截面平均温度及组分分布(对比结果数据均源于公开资料)，可以发现DIMAXER计算结果 基本一致，在未来，DIMAXER会发布更多的燃烧算例进行对标验证。

　　沿燃烧器火焰传播方向面平均温度对比图

　　沿燃烧器火焰传播方向面平均CH4组分对比图

　　沿燃烧器火焰传播方向面平均CO2组分对比图