氢火焰加速数值模拟：OpenFOAM中先进扩散模型库的开源实现与性能验证

《International Journal of Hydrogen Energy》：Accelerated numerical simulations of hydrogen flames: Open-source implementation of an advanced diffusion model library in OpenFOAM

针对氢火焰模拟中扩散模型精度不足和计算效率低的问题，本研究开发了开源扩散模型库FickianTransportFoam，集成物种特异性恒定Lewis数和混合平均模型，结合动态负载平衡器DLBFoam，在四种氢/空气火焰中实现10-100倍加速，为清洁能源装置设计提供高效计算工具。

　　

随着氢能作为清洁能源载体的重要性日益凸显，氢燃烧特性的精准模拟成为燃烧领域的研究热点。然而，氢燃料的高层流燃烧速度、高质量扩散率和低体积能量密度等特性，给数值模拟带来巨大挑战。特别是氢分子和原子的高扩散性可能导致异常现象，如贫燃条件下的热扩散不稳定性，这会显著增加燃料消耗速度，导致燃烧设备回火风险升高。计算流体动力学（CFD）虽是设计燃烧设备的关键工具，但涉及化学反应的尺度解析模拟计算成本高昂，且氢火焰中的微分扩散和热扩散效应无法通过常用的统一Lewis数假设准确捕捉。

近日，阿尔托大学能源与机械工程系团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，通过开发开源扩散模型库FickianTransportFoam，实现了氢火焰的高效高精度数值模拟。该研究针对OpenFOAM框架中先进扩散模型的缺失问题，开发了包含物种特异性恒定Lewis数模型和混合平均传输模型的库，并采用速度校正方法处理优先扩散效应。通过与动态负载平衡库DLBFoam结合，在四种典型氢火焰配置中验证了模型的准确性和计算效率，为氢燃烧装置的设计优化提供了强大工具。

研究采用的关键技术方法包括：基于有限体积法的reactingFoam求解器，结合WALE亚网格尺度模型的大涡模拟（LES）技术，用于非预混火焰的部分搅拌反应器（PaSR）燃烧模型，以及通过Cantera获取的化学动力学机制。团队通过共轭传热（CHT）模拟处理喷嘴壁面热交换，并利用动态负载平衡技术实现计算任务的处理器间优化分配。

2.1. 数值方法概述

研究使用OpenFOAM-v10中的reactingFoam求解器，求解密度、动量和显焓的完整Navier-Stokes方程以及物种传输方程。采用二阶时间离散格式和受限线性对流格式，通过PIMPLE算法耦合流动方程，运算符分裂处理化学源项。DLBFoam库通过域级动态化学求解负载平衡和单元级积分过程优化，显著提升计算效率。

2.2. 实现的传输模型

针对氢的高质量扩散率特性，研究实现了两种传输模型：混合平均模型和物种特异性恒定Lewis数模型。混合平均模型基于Stefan-Maxwell方程和Hirschfelder-Curtiss近似，通过二元扩散系数计算混合扩散系数。恒定Lewis数模型则通过热扩散率与Lewis数的比值确定扩散系数。两种模型均采用速度校正方法确保质量守恒。

2.4. 数值设置

研究设置了四种氢火焰案例：二维层流自由传播预混火焰、二维轴对称层流非预混喷射火焰、三维湍流非预混旋流火焰（HYLON）和三维湍流预混旋流火焰（AHEAD）。针对每个案例详细设置了计算域、网格分辨率、边界条件和湍流燃烧模型，确保模拟的准确性和可靠性。

3.1. 扩散模型评估（1D）

通过与Cantera计算结果对比，验证了FickianTransportFoam中混合平均模型在预测H₂O、H、OH质量分数和热释放率方面的准确性。结果显示，混合平均模型与Cantera结果高度一致，而统一Lewis数假设则因轻物种的高质量扩散率而产生显著偏差。

3.2. 案例1：二维层流自由传播预混火焰

研究表明，当量比φ=0.5的贫氢火焰表现出明显的热扩散不稳定性，谐波扰动在几个火焰时间内迅速放大，形成周期性火焰前沿。分散关系分析显示，数值结果与Matalon等人的解析关系在化学计量比和富燃情况下吻合良好。燃料消耗速度计算表明，不稳定火焰前沿的传播速度比未拉伸层流燃烧速度高2.5倍以上。

3.3. 案例2：二维轴对称层流非预混喷射火焰

模拟结果与Cheng等人的实验数据对比显示，温度和主要物种质量分数的径向分布在大多数测量位置吻合良好。喷嘴区域的共轭传热模拟揭示了喷嘴尖端温度超过500K，对H₂燃料边界层有显著预热作用，与原始实验观察一致。

3.4. 案例3：三维湍流非预混火焰（HYLON，火焰A）

时间平均流场结构显示，中央回流区（CRZ）和外部回流区（ORZ）的位置与实验数据吻合良好。归一化热释放率分布准确捕捉了两个反应前沿的强度和位置，主要反应前沿锚定在氢喷射器唇口，与先前实验和数值研究一致。

3.5. 案例4：三维湍流预混火焰（AHEAD）

速度场比较显示，LES预测的轴向和径向速度模式与实验相似，但在中心旋转区域的流动捕捉存在挑战。不同网格分辨率下的温度和OH摩尔分数分布表明，中等和精细网格的结果相对接近，趋势一致，表明计算结果具有网格无关性。

3.6. 计算加速

性能测试表明，DLBFoam在四种氢火焰案例中均带来显著加速效果，速度提升幅度达1-2个数量级。强扩展性分析显示，DLBFoam接近理想的线性扩展，而标准OpenFOAM则无法达到类似性能。

研究结论表明，新开发的FickianTransportFoam库能够准确捕捉氢火焰的各种特性，包括热扩散不稳定性、物种分布和火焰结构等。结合DLBFoam动态负载平衡器，在保持精度的同时显著提升计算效率，速度提升达10-100倍。该开源库的成功开发为氢燃烧模拟提供了强大工具，有助于推动氢能技术的发展和应用。

这项工作的重要意义在于解决了氢火焰模拟中长期存在的扩散模型精度和计算效率问题，为清洁能源装置的设计优化提供了可靠的计算手段。通过开源共享代码和案例设置，促进了研究社区的协作发展，为未来氢燃烧研究奠定了坚实基础。