“天河”系列超级计算机应用成果报道——超声速燃烧高保真高效模拟研究
航空航天工程高端装备研制是体现一个国家科技创新水平和先进制造能力的重要标志。目前，我国在空天高端装备的性能预报和分析方面，严重依赖于国外已有的 CAE 软件平台，特别是缺乏面向国产超算系统的高性能 CAE 软件。
超声速燃烧的精准数值模拟是发展先进高超声速推进系统的关键核心技术，也是国际学术前沿研究方向。超声速燃烧数值模拟的瓶颈之一在于超声速流动与复杂燃烧化学反应特征时间相互重叠（均为毫秒量级），由此所引起的复杂湍流-化学反应交互作用导致基于快速反应假设的简化湍流燃烧模型不再适用。基于传统方法的工程尺寸计算周期通常需要数月甚至以年为周期。超声速湍流燃烧存在模型保真度（复杂多重湍流-化学反应交互作用模式的表征）与计算效率（耦合详细化学反应动力学的大涡模拟）难以兼顾的矛盾，其作为一个前沿方向，从物理模型开发到计算技术发展均具有巨大的挑战性。
中国科学院力学研究所高超声速联合研究团队姚卫副研究员基于天河系列超级计算机资源开发了基于自主模型和算法的高效内外流耦合一体化模拟软件，其成果发表在International Journal of Hydrogen Energy，并应邀做第8届全球OpenFOAM大会特邀报告。
应用成果
基于分区解耦的思想在国际上首次提出了动态分区火焰面模型（DZFM），实现了超声速燃烧模拟效率的大幅提升和模拟保真度的同步提高。模型基于局部统计均一性假设准确而高效地表征了当地湍流化学反应状态，基于分区条件平均概念实现了条件脉动输运项模型的封闭。该模型将整个计算域划分为不同的区域，使用局部火焰面结构描述每个分区内的湍流化学反应状态。除了由于分子扩散和化学反应所引起的自身演化之外，局部火焰面还通过对流交换受到其相邻火焰面的影响，其演化表征了经历拉格朗日输运的反应混合物团块内湍流化学状态的变化。
在各种类型的算例（煤油超声速燃烧室、火箭发动机燃烧室、超声速轴向射流和高马赫数超声速燃烧室等）中初步验证了DZFM模型的准确性和计算效率。基于1.06亿网格和27300个火焰面分区开展了入口马赫数1.2的氢气射流的高保真大涡模拟（图1）。通过对直接数值模拟（DNS）数据的验证，表明DZFM模型很好地复现了自动点火过程和火焰抬升现象。轴向和径向速度曲线均与DNS数据非常吻合。径向温度曲线表明，当前模型很好地再现了火焰底部的自燃。在火焰面模型中，表征温度和产物浓度（H2O）清楚地显示出随着轴向高度而逐渐增加的趋势，表明成功复现了燃料自燃及反应趋于平衡的过程。
图1 基于1.06亿网格和27300个火焰面分区预测的(左)超声速燃烧场(中)火焰面分区演化和(右)预测精度直接数值模拟（DNS）校验
DZFM根据局部湍流-化学反应交互作用模式对流场进行分区模拟，从物理本质上提高了火焰面模型在超声速燃烧模拟中的适用性。在测试中该模型的计算效率优于多种传统加速方法的耦合效果，相比于传统的有限速率模型，DZFM模型可实现5~10倍以上的效率提升。耦合多步（>30步）详细化学反应机理的亿级网格超声速燃烧算例的计算周期可以从传统方法的数月缩短至2周，该方法的应用将大幅提升高超声速内流精细化研究的水平和发动机设计的效率。目前团队正基于该数值平台开展某先进高超声速发动机的研制工作（图2）。
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图2 基于1.3亿网格高超声速发动机全尺寸内外流耦合一体化大涡模拟
(a)设计概念图（b)热力学非平衡温度着色漩涡分布
上述研究工作得到了国家重点研发计划“高端装备复杂流场自主CAE一体化平台”项目以及中国科学院战略性先导“鸿鹄”专项的支持。论文的计算工作得到了国家超级计算天津中心的大力支持。