基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法

本发明属于计算流体力学（cfd）领域，具体涉及一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法。

背景技术：

1、气相燃烧爆炸是一种重要的燃烧现象，广泛应用于能源转换、火灾安全、爆炸物处理等领域。气相燃烧爆炸是涉及多尺度、多物理过程的复杂现象，通过开展实验研究可以直观的观测到燃爆过程发展规律，是开展燃爆致灾机制探索和安全防护研究的一种重要方法。但是该类实验研究往往涉及高温、高压、明火等危险条件，实验开展危险性较高；此外，实验中也往往需要设计复杂且昂贵的实验设备和测量系统，难以精确控制和观测关键参数且实验成本高。近年来，随着数值计算方法的发展以及计算机算力的提升，使用数值模拟方法来对气相燃烧爆炸场景开展研究越来越受到重视。数值模拟可以通过合适的数值方法和物理模型来模拟复杂的物理过程并揭示系统行为的细节。可以提供精确控制、安全性、成本效益、多尺度和多物理过程的模拟能力，方便相关研究人员深入理解燃烧爆炸过程的物理机制，为相关工程和科学问题提供可靠的数值预测和决策依据。

2、由于燃烧爆炸过程具有多尺度、非线性和化学反应机理复杂的特性，对其进行精确和高效的数值模拟是一项具有挑战性的任务。首先，气相燃烧爆炸过程涉及到多个时间尺度和空间尺度。在时间尺度上，气相燃烧爆炸过程通常涉及到快速反应和慢速传输过程。快速化学反应的时间尺度往往在微秒至毫秒级别。而慢速传输过程包括热传导、质量传输和动量传输等，其时间尺度可以从毫秒到秒甚至更长。在空间尺度上，气相燃烧爆炸过程涉及到不同空间尺度的现象。从宏观角度来看，燃烧爆炸场景涉及到大范围的空间区域，如燃烧室、爆炸波等。从微观角度来看，燃烧爆炸过程涉及到分子和粒子的运动和相互作用。此外气相燃烧爆炸过程中，不同时间尺度和空间尺度的物理过程之间存在耦合效应。例如，快速化学反应会导致温度和压力的变化，从而影响慢速传输过程；慢速传输过程的变化也会影响化学反应的速率。为准确模拟气相燃烧爆炸过程往往需要在极为细密的计算网格上采用极小的时间步长进行迭代求解，导致产生大量计算资源消耗。因此，采用传统技术难以针对实际工程应用场景中的大尺度燃爆过程开展数值模拟研究。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法，建立耦合化学-扩散简化反应模型的多维、瞬态、可压缩纳维-斯托克斯方程组；采用自适应网格技术在计算过程中动态调整网格结构并完成纳维-斯托克斯方程组在不同尺寸网格上的数值离散。建立自适应网格结构数据容器完成方程组离散数据的储存与管理、不同计算设备之间的数据交流、并行计算负载均衡等功能。通过当前计算方法可以在保证流场关键特征附近网格分辨率足够的同时极大降低模拟所需的网格数，大幅度降低开展计算所需的计算资源并通过负载均衡算法提高并行计算效率。

2、为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

3、一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法，包括如下步骤：

4、步骤1、根据计算场景构建计算域并划分计算网格，获得包括网格单元中心坐标、网格单元界面坐标、网格单元尺寸的网格信息，建立自适应网格结构数据容器储存上述网格信息；

5、步骤2、建立耦合化学-扩散简化反应模型的多维、瞬态、可压缩的纳维-斯托克斯方程组并在计算网格上进行数值离散，得到包括连续性方程、动量方程、能量方程、组分输运方程的代数方程组；根据计算场景确定的温度、压力、速度、反应物组分、边界条件信息初始化网格单元并储存至自适应网格结构数据容器；

6、步骤3、建立流场特征参数探测器，用于搜寻火焰锋面、激波面、接触间断，通过在流场特征所在的计算域的区域新建或销毁网格层级完成网格单元的细化或粗化，从而实现对计算网格的动态调整；不同加密程度的网格层级之间通过插值或加权平均更新网格单元中存储的数据；

7、步骤4、根据并行类型将当前各网格层级划分为网格块，不同网格块在并行计算过程中分属于不同进程；不同网格块之间进行数据交换以保证在执行界面变量重构过程中的网格单元的数据的可用性；建立各进程间的负载均衡算法以平衡不同计算设备之间的计算量，提高并行计算效率；

8、步骤5、在经步骤3动态调整后的计算网格上对步骤2得到的代数方程组开展界面变量重构、通量求解，通过时间子循环方法进行时间推进，直至达到最大迭代次数或目标时间，否则跳转至步骤3。

9、有益效果

10、本发明为基于自适应网格技术和大规模并行计算的方法，结合提出的自适应网格结构数据容器，实现了高效的数值模拟程序开发和在不同计算设备上的数值计算，具有以下有益效果：

11、（1）计算网格量少：通过自适应网格技术，本发明能够根据物理过程的需求，在关键区域增加网格分辨率，而在其他区域降低网格分辨率。这样可以减少计算网格的数量，提高计算效率，同时保持对关键区域的准确描述；

12、（2）并行计算效率高：本发明采用大规模并行计算方法，充分利用多种计算设备（如cpu和gpu）的计算能力。通过并行计算，可以将计算任务分配到不同的设备上进行并行计算，从而显著提高计算速度和效率；

13、（3）程序开发效率高：本发明设计的自适应网格结构数据容器可以简化数值模拟程序的开发过程。研究人员可以利用该容器来管理和操作网格数据，提高了程序开发的效率。且该容器具有良好的程序可移植性，研究人员可以根据具体的计算设备选择适当的并行类型并实现高效的数值模拟；

14、（4）本发明适用于气相燃烧爆炸过程的数值计算，可用于爆燃、爆轰、爆燃转爆轰等现象的计算流体动力学模拟和理论分析，也可以用于对工程应用场景中大尺度气相燃烧爆炸过程的高效数值模拟，具有准确性高、适用范围广和计算效率高等特点。

技术特征：

1.一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法，其特征在于，所述步骤1包括：

3.根据权利要求2所述一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法，其特征在于，所述自适应网格结构数据容器中定义网格单元、网格层级和网格块的概念，用于对自适应网格结构进行储存和管理；网格单元是自适应网格结构中的最小结构，为离散化的空间单元；按照网格单元的尺寸将所有网格单元划分至不同的层构成网格层级，每个网格层级上的网格单元具有统一的尺寸；通过建立多个不同分辨率的网格层级实现对不同尺寸的网格单元的统一管理，在网格层级的结构中，网格层级的编号采用l表示，编号的数量从0增加到lmax；每个网格层级上的网格单元的数据独立，不同网格层级之间仅通过插值及加权平均操作交换网格单元的数据；将网格层级划分为一组连续的网格单元区域构成网格块，在并行计算中，每个网格层级被划分为多个网格块，每个网格块被分配至不同的进程负责迭代计算；网格块划分的依据基于空间位置、数据属性或计算需求。

4.根据权利要求1所述一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法，其特征在于，所述步骤2包括：

5.根据权利要求3所述一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法，其特征在于，所述步骤3包括：

6.根据权利要求5所述一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法，其特征在于，当细化的网格层级l生成时，将未细化的网格层级l-1对应区域的网格单元的值插值到细化的网格层级的网格单元上，具体插值方法如下：

7.根据权利要求6所述一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法，其特征在于，所述步骤4包括：

8.根据权利要求7所述一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法，其特征在于，在网格块的周围添加虚拟网格单元层以辅助完成网格单元边界数据交换；根据网格块所处的网格层级和边界条件的不同，网格块的数据交换过程分为三种类型：当某网格块位于计算域的物理边界时，通过边界条件确定该网格块的虚拟网格值；当某网格块的虚拟网格位于同一网格层级交汇处时，直接使用同网格层级的其他网格块上的网格单元填充虚拟网格单元；当某网格块的虚拟网格单元不能直接从同网格层级的其他网格块获得时，该虚拟网格单元通过相邻网格层级的网格单元插值填充。

9.根据权利要求8所述一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法，其特征在于，建立皮亚诺曲线贯穿整个计算域，将计算域中的网格块顺序地映射到一维空间中；根据皮亚诺曲线上各分块的计算域内的网格单元的数量将皮亚诺曲线分为若干计算权重相近的曲线段，将每个曲线段映射到不同的进程中，最终实现对计算域的分裂以及进程之间的计算负载相近。

10.根据权利要求1所述一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法，其特征在于，所述步骤5中的通过时间子循环方法进行时间推进包括以下步骤：

技术总结本发明公开一种基于自适应网格技术的气相燃烧爆炸并行数值计算方法，涉及计算流体力学领域，包括：在计算域内划分计算网格并建立自适应网格结构数据容器，用于储存网格结构、物理坐标、网格数值、变量名称等信息以及处理并行计算中各进程间的通信工作；建立用于描述气相燃烧过程的可压缩反应性纳维‑斯托克斯方程组并在计算网格上进行数值离散；建立流场特征参数探测器，用于搜寻火焰锋面、激波面、接触间断等关键流场特征并将对应区域的计算网格结构进行动态调整；建立并行进程间负载均衡机制。本发明可以在保证流场关键特征附近网格分辨率足够的同时减少网格总数，可实现对工程应用场景中大尺度气相燃烧爆炸过程的高效数值模拟。技术研发人员：肖华华,赵明斌受保护的技术使用者：中国科学技术大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29