计算火焰

通过 罗伯特·弗雷德里克

要了解柴油机中燃料的燃烧方式,需要具备化学知识和超级计算能力。

化学 电脑 数学 物理

当前的问题

这篇文章从发行

2016年7月至8月

第104卷第4期
第206页

DOI: 10.1511 / 2016.121.206

即使没有散发浓烟,现代柴油机仍然很脏。清理它们并使它们更加高效是一个真正的挑战,因为了解它们如何燃烧燃料非常困难:柴油发动机在高压和高温下运转,温度太苛刻,并且燃烧燃料的速度太快,无法为更好的发动机提供准确的测量信息设计。

输入计算流体动力学,科学家可以通过它对高压和高温下燃烧的燃料进行虚拟快照(略低于),甚至制作动画(更进一步)。

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要制作这样的模型,第一步是挑选燃料。桑迪亚国家实验室的研究人员选择了二甲醚(DME)而不是柴油。 “ DME的化学比某些大型烃类燃料更广为人知,并且更易于建模,”与东京工业大学的Yuki Minamoto一起进行模拟的Jacqueline Chen说。了解化学是一个先决条件,因为随着大量碳氢化合物燃烧,它们会分解成较小的碳氢化合物,然后也必须对其进行建模。柴油的成分是可变的;它包含每个分子具有8至24个碳原子的大型烃的混合物。每个分子只有2个碳原子,DME(CH3OCH3)的分手较少。

尽管如此,燃烧DME仍会产生许多不同的燃烧产物,或者 种类,并对它们的分解方式以及它们的去向进行建模需要一台超级计算机。研究人员使用橡树岭国家实验室的Titan(目前是世界上第二快的超级计算机,每秒能够进行约2000亿次计算),他们使用以前开发的仿真代码来计算质量,质量分数,动量的三个分量和总和。在三维网格(3024 x 897 x 384)的十亿个点中的每十个点上,DME的30种物种的能量。

在这30个物种中,这种可视化仅包括两个。这两个中的第一个发生在点火前反应中。 DME与空气混合(灰色,向上湍流注入,好像注入到发动机的汽缸中一样)可以变成部首(CH3OCH2)并与氧气(O2)形成甲氧基甲基氢过氧(CH3OCH2O2 )。所以追踪这个物种(颜色从黄色变为红色)显示了低温化学反应的速率,这是最终火焰点火的关键。追踪高温燃烧的产物-包括羟基(OH)( 彩色蓝色到绿色)—显示火焰的位置。

Chen说:“该模拟的目的是在与理解柴油发动机有关的条件下,了解火焰如何稳定在燃烧器上方”,“我们所看到的是,火焰在这些微黄色的表面似乎稳定了,有色物质表示低温反应有助于稳定火焰,防止高速湍流的破坏作用。”

动画(此图片为单帧)更清晰地显示了这种效果,因为研究人员精心选择了模拟条件(包括湍流强度,燃料温度和压力),以便在保持可行的计算成本的同时最大化“湍流与火焰的相互作用” ”,Chen和Minamoto在7月号上写道 燃烧与火焰.

内布拉斯加州大学林肯分校的于洪峰表示,运行此模拟可以生成数百TB的数据,但仅需四分之一的可视化数据即可。尽管如此,下载全部仍需花费数小时。他说:“我开始传输数据,然后回家。”但是,一旦下载了数据,Yu便在其图形工作站(一台消费级台式计算机)上大约一秒内渲染了该图像。然后,他又制作了约60张图像来制作动画。于说:“因此,渲染时间与仿真时间和数据传输时间相比是微不足道的。”

因此,Yu和Chen一直致力于将数据可视化与仿真集成在一起,利用超级计算机的处理能力在生成数据后立即对其进行可视化和分析,而不是将其存储以供将来传输和分析。 Chen说:“您无法存储所有数据。”随着研究人员着手为更长的时间框架(甚至需要更快的超级计算机)对更复杂的问题进行建模,情况将变得更加如此。


这段视频是由桑迪亚国家实验室的杰奎琳·陈(Jacqueline Chen)提供的两个视频的组合,桑迪亚·尤本(Sakis)目前正在东京工业大学的Yuki Minamoto完成了这项工作。可视化本身是由内布拉斯加州林肯大学的Yu Hongfeng完成的。

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