化学加速

可以使用聚类、ISAT 或动态机制缩减方法加速复杂化学计算。

以下是化学加速选项：

  • 聚类
  • 就地自适应制表 (ISAT)
  • 动态机理简化

松弛为化学平衡模型并不是加速选项，但可使用它为详细的化学计算提供快速约值求解。请参见松弛为化学平衡。

聚类

聚类法对具有类似热和化学状态的网格单元进行分组，然后积分分组的平均状态。假设集群中所有网格单元的净反应速率与集群平均值相同，因此可把反应映射插值到网格单元。

聚类通常可大幅提速，因为集群数小于模拟中的网格单元数。由于集群数的增幅远远小于网格单元数，因此聚类性能随网格尺寸而提高。

聚类算法使用均匀的 N 维网格，其中 N 为聚类变量数。然后，模拟中的网格单元离散间隔到每个聚类网格。默认情况下，Simcenter STAR-CCM+ 使用三个聚类变量（即 OH 的当量比、温度和质量分数）进行非稳态模拟。对于稳态模拟，化学时间尺度的日志用作额外的聚类变量。

Simcenter STAR-CCM+ 提供了其他用户可选聚类变量，其中包括其他组分质量分数、混合分数、压力、焓和熵。

当量比和温度的默认聚类变量表示混合基础轨线，后跟反应。这些默认聚类变量适用于大多数碳氢化合物燃烧室。但在某些情况下，仔细选择额外的聚类变量可以提高精度。例如，对于在预混火焰锋面后面缓慢形成的一氧化氮（其中，当量比和温度几乎一致），可以将一氧化氮组分质量分数添加到聚类变量列表中。对于涉及到冲击波的超音速燃烧，由于压力通过域显著变化，因此可以包括压力变量。

通过可视化聚类索引，可以查看 Simcenter STAR-CCM+ 生成的集群。每个集群均具有自己的唯一索引，其中最大值表示集群总数。聚类索引为零时，表示从反应中排除的网格单元，例如，温度低于反应所需的最小温度的网格单元。聚类当量比和聚类混合分数也可用于后处理。

就地自适应制表 (ISAT)

就地自适应制表 (ISAT) 是一种先表格化计算成本高昂的函数、然后在运行时进行插值的制表法。在本例中，刚性化学 ODE（常微分方程）已表格化。如果有许多热化学状态在时间和/或空间上相似，则 ISAT 可以减少模拟时间。ISAT 可以大幅加速稳态问题的复杂化学模拟（包括稳态燃烧的非稳态 LES）。在这类复杂化学模拟中，将定期检索表格化化学映射且机制所含的组分不到 40 个。但是，由于压力等化学状态的波动，建议不要对复杂化学内燃机 (ICE) 模拟使用 ISAT 方法。

Stephen B. Pope 博士提出了 ISAT 方法[766]。

ISAT 表创建于恒压和时间步的情况下。如果域中的压力或时间步发生变化（如同在稳态模拟中一样），ISAT 求解器会自动将压力和时间步值离散间隔到适当的范围中，每个离散间隔创建一个表。

ISAT 方法通过以下各项为给定的初始条件提供 ODE 近似求解：
  • 热力学变量（显焓）
  • 成分变量（具体的摩尔数）
  • 绝对压力和时间步（取决于模拟类型）
可以使用 ISAT 为计算成本高昂的多维函数检索近似值。在反应模拟中，可以使用 ISAT 存储近似反应映射求解并从耦合 ODE 方程组进行检索。在化学时间步期间，ISAT 求解器计算特定网格单元中的反应映射。ISAT 在表中搜索用于在指定容错范围内近似反应映射的现有点。如果 ISAT 找到此类点，则不使用 CVODE 求解器计算新的反应映射，而是根据存储在表中的反应映射进行插值。否则，如果 ISAT 在表中找不到合适的点，将调用 CVODE 求解器并计算此点的反应映射。这个新计算的点存储在表中。因此，表大小在模拟过程中会增长。请参见复杂化学。

动态机理简化

使用复杂化学模型时，可以选择允许 Simcenter STAR-CCM+ 中的 CVODE 求解器求解数量已减少的组分（所导入的完整化学机制中获取）。机制会在每个时间步或迭代时的每个网格单元中进行动态缩减。虽然求解更少的组分可缩短计算时间，但是这会降低精度。动力机制减少基于定向关系图 (DRG) 算法 [755]，其中不会随每个时间步或迭代显著更改任何其他组分的组分将从该机制中去除。请参见动态机制缩减。

提供 DRG 算法的输入 - 保留在机制中的容差和小目标组分集合。如果机制中存在组分 NO，则它会自动包含在目标组分中。