基于OpenFOAM多网格化学求解器的点火延迟时间与点火概率密度预测数值工具包开发及应用

针对传统0D点火计算工具无法同步处理多网格热力学状态的难题，研究人员开发了基于OpenFOAM的multiMeshChemFoam-idtFoam-ipdFoam数值工具包，实现了全计算域点火延迟时间(IDT)和点火概率密度(IPD)的高效预测。该工具通过扩展chemFoam求解器支持多网格同步计算，结合混合场瞬时数据输入，为超音速燃烧室等复杂系统的点火性能评估提供了低阶快速设计工具，仅需非反应流场数据即可完成评估，显著降低计算成本。

　　

在航空航天推进系统和内燃机设计中，点火延迟时间（Ignition Delay Time, IDT）是衡量燃料自燃特性的关键参数。传统IDT预测工具如CHEMKIN、Cantera和OpenFOAM内置chemFoam存在显著局限：或受商业软件版权限制，或仅支持单网格计算，难以处理实际复杂流场中空间分布高度不规则的热力学状态。特别是在超音速燃烧室等高速流动系统中，燃料驻留时间极短，准确预测全域IDT分布对优化燃烧效率、抑制爆震具有重要工程意义。

为解决这一技术瓶颈，研究人员开发了基于OpenFOAM的数值工具包，包含三大核心求解器：multiMeshChemFoam通过扩展chemFoam实现多网格同步0D点火计算；idtFoam提取基于温度阈值、热释放率峰值和OH自由基峰值的IDT；ipdFoam则通过瞬态混合场数据构建统计点火概率。该研究创新性地实现了仅需非反应混合场数据即可完成燃烧系统点火性能预评估，为燃烧室设计提供了高效低阶分析工具。

关键技术方法包括：1）改造chemFoam架构实现多网格化学求解（multiMeshChemFoam）；2）开发IDT提取算法支持多种点火判据（idtFoam）；3）基于1001组瞬态场数据构建统计点火概率（ipdFoam）。验证阶段采用10组分乙烯简化机理，在1000-2100K范围内对比显示新工具与chemFoam计算结果误差可忽略，计算效率提升两个数量级。

研究结果方面：

1. 求解器开发：multiMeshChemFoam通过重构网格创建、初始场读取和标量场运算模块，支持常压/常容假设下的多网格同步计算。核心控制方程包括组分质量守恒（式1）、能量方程（式2）和理想气体状态方程（式3）。

2. 验证测试：乙烯/空气混合物（当量比1.0）在0.1MPa下的IDT计算显示，温度判据（T>2200K）、热释放率峰值（q?_max）和OH峰值（OH_max）三种定义下，新工具与chemFoam结果高度吻合。值得注意的是，当初始温度>1930K时，高分辨率计算（1K间隔）首次捕捉到q?判据IDT的阶梯式下降现象。

3. 超音速燃烧室应用：针对马赫2.15空气/马赫1.25乙烯的模型燃烧室，分析显示：

• 瞬时IDT分布：点火仅发生于混合层，纯燃料侧因当量比>35无法自燃。凯尔文-亥姆霍兹涡旋（KHI）演化分三阶段：层流接触区（x≈20-48mm）、涡旋过渡区（x≈48-180mm）和剪切主导区（x>315mm）。
• 统计IPD特征：压缩波（Cf）和激波（Sa）反射使点火概率呈阶梯分布，在C₁-C₂和S₁-S₄等交点处概率提升2-3倍。OH判据的敏感区域较温度判据宽15%-20%。

该研究构建的数值工具包突破了传统0D点火计算的空间维度限制，其创新价值体现在：1）首次实现基于混合场数据的全域IDT/IPD预测，计算效率较传统方法提升百倍；2）支持在非反应流阶段预判点火特性，使燃烧室设计周期缩短40%以上。研究结果对超燃冲压发动机、燃气轮机等高速燃烧系统的优化设计具有重要指导意义，相关方法已应用于某型乙烯燃料超音速燃烧室的工程设计中。论文发表于能源领域顶级期刊《Fuel》。