OpenFOAM任意场量空间概率密度和时均分布的高效构建技术
技术描述
OpenFOAM是一种基于有限体积法、面向对象的开源C++类库，具备代码公开、获取自由、拓展方便、支持大规模并行运算等显著优势。针对流体流动、燃烧、传热和各类多物理场耦合问题具备强大的模拟、分析能力，但在数据后处理方面相对薄弱。用户通常需要针对特定的研究问题开发特定的后处理代码，应用范围受限。 OpenFOAM场量的空间概率密度和时均分布是一种重要的统计学分析方法。在流场模拟中，温度、压力、速度、组分浓度等状态参数通常比较重要。例如，对内燃机、燃气轮机、航空发动机、火箭和冲压发动机等各类动力系统，除了监测燃烧室内瞬时的温度、压力、组分等，一段时间内上述参量的平均变化和出现某些关键状态的概率同样重要。 本技术能够快速、便捷构建OpenFOAM大量瞬态模拟结果中任意标量场或矢量场的空间概率密度和时均分布，并以OpenFOAM标准文件方式保存，支撑特征场量的演化过程和统计学规律研究。例如，获得点火问题中不同批次实验/模拟的点火概率分布，分析成功点火的局部流动、热力学与热化学状态。掌握非均匀燃烧系统一段时间内高温区出现的频次、位置及其平均值，以优化燃烧组织、增强燃烧室结构安全性设计。建立高超声速动力系统中，超声速/亚声速、预混/扩散燃烧区的统计学分布。
技术优势
本技术的主要优势包括：①面向OpenFOAM数值模拟结果，无论是标量场还是矢量场，都能够快速、便捷地计算其空间概率密度和时均分布；②在物理空间上对时均场量进行区段划分和标识，能够快速、准确辨识计算区域在一段时间内的平均取值；③通过对关键场量的时间演化监测、统计学规律研究，可指导数值模拟的物理问题，如动力系统改进设计；④具有易推广性，类似技术可用来提取流场关键信息，如点火概率、燃料掺混边界、预混/扩散燃烧模式。 目前尚未在公开文献中发现类似技术，已提交本技术的交底书，正在申请国家发明专利（学校编号：I24042626）。由于OpenFOAM文件输出高度离散化，不同时刻不同场量以独立文件的形式存储，而统计学研究通常需要多个时刻、不同场量的结果作为样本数据。OpenFOAM模拟过程中如果未及时统计关键场量的时均值，在计算完成后就难以再获取，重新模拟将耗费大量的时间和计算资源。 本技术避免了海量数据文件的手工计算，提供了一种快速、便捷、自动化构建OpenFOAM任意场量（标量场、矢量场、甚至逻辑场量）空间概率密度和时均分布的高效方法，具有一定的市场竞争力。同时应当认识到，OpenFOAM目前主要用于科学研究，在大规模工程计算方面的应用相对欠缺，一定程度上限制了本技术的应用场景。
效果指标
本技术适用于所有基于OpenFOAM开展的数值模拟场景，具有产业化前景。不受OpenFOAM开源代码平台集成的大量求解器所模拟的具体问题、具体构型、网格类型及网格数量的限制，也不受模拟结果数据类型（如标量场、矢量场、张量场和逻辑量场等）的限制。只要在OpenFOAM框架下完成的数值模拟都可应用本技术，因此具有很强的适用性，目标市场广阔。随着OpenFOAM认可度的提高，其在工业界的应用也势必越来越广泛，为本技术的产业化提供了良好契机。 本技术在本课题组内已经得到了广泛的验证和应用。以下结合具体的示范应用来描述，相关结果见附件部分的成果宣传图片。针对OpenFOAM模拟的支板构型超燃冲压发动机模型燃烧室，应用本技术。这是一个复杂激波-火焰-湍流相互作用下的典型的非稳态流动、燃烧系统，且温度和速度跨越范围大，可较好展现本技术的应用效果。 将温度划分为8个区段：T < 300 K，300 K ≤ T < 800 K，800 K ≤ T < 1300 K，1300 K ≤ T < 1800 K，1800 K ≤ T < 2300 K，2300 K ≤ T < 2800 K，2800 K ≤ T < 3300 K，3300 K ≤ T。当然可根据实际情况任意划分，这里仅仅是示例性的以解释本技术，而不是对本技术适用场景的任何限定。共使用1000个不同时刻的瞬时模拟结果。附图1显示了该燃烧室内温度场在上述8个区段，物理空间上的概率密度分布，表征了一段时间内火焰区的统计学特性。 附图2给出了燃烧室内平均温度及其分段数值标识信息。将平均温度划分为6个区段：T_Avg < 300 K，300 K ≤ T_Avg < 800 K，800 K ≤ T_Avg < 1300 K，1300 K ≤ T_Avg < 1800 K，1800 K ≤ T_Avg < 2300 K，2300 K ≤ T_Avg < 2800 K，各个区段分别以数值0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6来标识。不同区段平均温度在物理空间上的分块分布，可为燃烧室设计提供一定的参考依据。附图3和4分别建立了燃烧室内预混/扩散和超声速/亚声速燃烧模式的空间概率密度分布，对燃烧室的统计学特性研究及其改进设计具有重要的指导作用。也表明本技术可支撑OpenFOAM模拟结果的深入分析，是对瞬态参数变化研究的有效补充。