In addressing the demands of industrial high-fidelity computation, the present study introduces a rapid and accurate customized solver developed on the OpenFOAM platform. To enhance computational efficiency, a novel integrated acceleration strategy is introduced. Initially, a sparse analytical Jacobian approach utilizing the SpeedCHEM chemistry library was implemented to increase the efficiency of the ODE solver. Subsequently, the Dynamic Load Balancing (DLB) code was employed to uniformly distribute the computational workload for chemistry among multiple processes. Further optimization was achieved through the introduction of the Open Multi-Processing (OpenMP) method to enhance parallel computing efficiency. Lastly, the Local Time Stepping (LTS) scheme was integrated to maximize the individual time step for each computational cell, resulting in a noteworthy minimum speed-up of over 31 times. The effectiveness and robustness of this customized solver were systematically validated against three distinct partially turbulent premixed flames, Sandia Flames D, E, and F. Additionally, a comparative analysis was conducted, encompassing different turbulence models, turbulent Prandtl numbers, and model constants, resulting in the recommendation of optimal numerical parameters for various conditions. The present study offers one viable solution for rapid and accurate calculations in the OpenFOAM platform, while also providing insights into the selection of turbulence models and parameters for industrial numerical simulation.


翻译:为满足工业高保真计算需求,本研究在OpenFOAM平台上开发了一种快速精确的定制化求解器。为提升计算效率,引入了一种新型集成加速策略。首先,采用基于SpeedCHEM化学库的稀疏解析雅可比方法提高常微分方程求解器的效率;其次,利用动态负载平衡(DLB)代码将化学反应计算任务均匀分配至多个进程;再次,引入开放式多处理(OpenMP)方法优化并行计算效率;最后,集成局部时间步进(LTS)方案最大化每个计算单元的时间步长,实现至少31倍的显著加速。通过三种部分湍流预混火焰(Sandia火焰D、E和F)系统验证了该求解器的有效性与鲁棒性。此外,针对不同湍流模型、湍流普朗特数及模型常数开展了对比分析,推荐了不同工况下的最优数值参数。本研究为OpenFOAM平台上的快速精确计算提供了一种可行方案,同时为工业数值模拟中湍流模型及参数的选择提供了参考依据。

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