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掺氢航空发动机燃料的基础燃烧特性

西华大学学报（自然科学版） 2024年第5期43卷 1-7页

作者：任祝寅龚雪暴秀超清华大学航空发动机研究院北京100084 西华大学汽车与交通学院四川成都610039

面向航空“碳中和”需求,基于数值模拟研究了掺氢对航空燃油替代燃料火焰传播、自着火以及自着火协助下火焰传播的影响。结果表明:在富燃条件下,无量纲化火焰速度随掺氢量的增加呈非线性增大,可接近20,这给避免火焰回火带来了巨大挑战;... 详细信息

面向航空“碳中和”需求,基于数值模拟研究了掺氢对航空燃油替代燃料火焰传播、自着火以及自着火协助下火焰传播的影响。结果表明:在富燃条件下,无量纲化火焰速度随掺氢量的增加呈非线性增大,可接近20,这给避免火焰回火带来了巨大挑战;掺氢后火焰温度的升高对火焰速度的影响在贫燃时可忽略,而在富燃时不可忽略;对于自着火,纯正十二烷和纯氢两种燃料的混合物存在动力学耦合。基于此构建的自着火风险图表明,氢气在亚音速巡航条件下抑制自着火,而在超音速巡航条件下可能抑制也可能促进自着火,取决于掺氢量和燃烧室入口温度。针对自着火与火焰传播的耦合,一维自着火协助火焰的计算结果表明,对于具有两阶段着火特性的燃料,掺氢的质量分数达到50%时可消除其第一阶段自着火的协助效应。

关键词：掺氢火焰传播自着火自着火协助两阶段着火

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颗粒层面敏感性分析在湍流预混火焰中的应用

工程热物理学报 2017年第5期38卷 1106-1111页

作者：周华任祝寅清华大学燃烧能源中心北京100084 清华大学航天航空学院北京100084

以一个带值班火焰的甲烷-空气预混射流火焰(PPJB)为研究对象,对中心射流速度分别为50 m/s(PM1-50)与200 m/s(PM1-200)的两个火焰进行RANS-PDF模拟。利用颗粒层面敏感性分析方法,研究了IEM与EMST两种混合模型在湍流预混火焰中的特性,发... 详细信息

以一个带值班火焰的甲烷-空气预混射流火焰(PPJB)为研究对象,对中心射流速度分别为50 m/s(PM1-50)与200 m/s(PM1-200)的两个火焰进行RANS-PDF模拟。利用颗粒层面敏感性分析方法,研究了IEM与EMST两种混合模型在湍流预混火焰中的特性,发现对于PM1-50火焰,尽管两种混合模型对组分平均值的预测非常相似,但却对应了两种燃烧模式,EMST对应火焰传播模式,而IEM对应自着火模式;对于PM1-200火焰,两种模型均对应火焰传播模式。通过比较敏感性系数的径向分布,发现对于PM1-50火焰,增强混合或反应强度都可以促进反应进度,火焰特性同时受混合和化学反应控制。对于PM1-200火焰,在上游位置处,增强混合反而会抑制反应进度,火焰特性同时受混合和化学反应控制;在下游位置处,化学反应是火焰的控制物理过程。

关键词：湍流预混燃烧敏感性分析概率密度函数模拟

湍流燃烧概率密度函数(PDF)模拟的敏感性分析

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工程热物理学报 2017年第1期38卷 208-212页

作者：周华王琥任祝寅清华大学燃烧能源中心北京100084 清华大学航天航空学院北京100084

针对采用概率密度函数(PDF)方法的湍流燃烧数值模拟,基于已有的颗粒层面局部敏感性分析,提出一种改进方法,以高效地估计对反应动力学参数的局部敏感性系数。该方法的两个关键思路为:评估化学反应对组分演化的重要程度;以"当前效应"估计... 详细信息

针对采用概率密度函数(PDF)方法的湍流燃烧数值模拟,基于已有的颗粒层面局部敏感性分析,提出一种改进方法,以高效地估计对反应动力学参数的局部敏感性系数。该方法的两个关键思路为:评估化学反应对组分演化的重要程度;以"当前效应"估计"总体效应"。以部分搅拌反应器(PaSR)为研究对象,通过与直接计算的结果比较,证明了新方法的计算结果可作为直接计算的有效估计,能够有效预测各个化学反应对于系统的相对重要性。

关键词：湍流燃烧模拟敏感性分析概率密度函数方法

湍流预混火焰LES/FDF模拟中标量混合时间尺度建模

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工程热物理学报 2021年第10期42卷 2749-2755页

作者：杨天威尹钰周华任祝寅清华大学航天航空学院北京100084 清华大学航空发动机研究院北京100084

在实际应用中,精确模拟高湍流度预混火焰十分关键但极具挑战性。本文将被动标量混合时间尺度动态封闭方法与hybrid混合时间尺度模型结合,在湍流预混火焰LES/FDF模拟中提出一种新的标量混合时间尺度建模方法。该方法不需要人为选取混合... 详细信息

在实际应用中,精确模拟高湍流度预混火焰十分关键但极具挑战性。本文将被动标量混合时间尺度动态封闭方法与hybrid混合时间尺度模型结合,在湍流预混火焰LES/FDF模拟中提出一种新的标量混合时间尺度建模方法。该方法不需要人为选取混合模型参数CM,且动态地考虑了由湍流和火焰结构分别引起的亚网格标量混合。对悉尼值班预混射流燃烧器高湍流度PM1-150火焰进行了LES/FDF模拟。结果表明,新模型显著改善了对整体燃烧进程的预测结果,正确地预测了局部熄火/再燃现象。进一步的结果显示,模型参数CM明显大于在RANS框架下量级为1的常用取值,这表明该参数在不同框架下具有不同的物理内涵。

关键词：湍流预混火焰输运概率密度函数方法反应标量混合小尺度混合模型混合时间尺度

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详细化学反应动力学动态自适应加速

工程热物理学报 2018年第7期39卷 1635-1641页

作者：解汶汶李姗卢臻任祝寅清华大学燃烧能源中心北京100084 清华大学航天航空学院北京100084

详细化学反应机理应用于三维、高度瞬态的湍流燃烧数值模拟时,计算成本巨大.为此,本文提出了一种基于动态自适应建表(ISAT)和动态自适应化学(DAC)的化学反应动力学动态自适应加速方法.该方法基于组分空间的低维流形特性,采用主成分分析... 详细信息

详细化学反应机理应用于三维、高度瞬态的湍流燃烧数值模拟时,计算成本巨大.为此,本文提出了一种基于动态自适应建表(ISAT)和动态自适应化学(DAC)的化学反应动力学动态自适应加速方法.该方法基于组分空间的低维流形特性,采用主成分分析法将燃烧区域中的网格节点(或颗粒)从组分空间向低维空间内投影,根据投影点在低维空间内的概率密度函数来刻画系统的非均匀性,进而自适应地选择ISAT和DAC进行加速.本文通过设置内燃机模拟算例,使用甲烷GRI Mech3.0机理,初步验证了新方法的性能。计算结果表明,在保证计算精度的同时,新方法具有明显的加速优势。对于包含500个颗粒的内燃机模拟算例,加速因子可以达到使用ISAT的2.7倍、DAC的1.7倍、固定ISAT-DAC联合的1.8倍。

关键词：燃烧模拟详细化学反应动力学自适应建表动态自适应化学

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湍流燃烧机理和调控的活性子空间分析方法

航空学报 2021年第12期42卷 33-45页

作者：王娜娜解青苏星宇任祝寅清华大学航空发动机研究院北京100084 清华大学燃烧能源中心北京100084

高效、低排放等需求促使发动机燃烧趋于近极限燃烧组织,亟需在稳定可控燃烧方面取得突破。湍流燃烧机理复杂,影响湍流燃烧数值模拟预测的物理化学和初始/边界条件参数众多。但是在该高维映射关系中,预测目标量往往仅在输入参数空间中的... 详细信息

高效、低排放等需求促使发动机燃烧趋于近极限燃烧组织,亟需在稳定可控燃烧方面取得突破。湍流燃烧机理复杂,影响湍流燃烧数值模拟预测的物理化学和初始/边界条件参数众多。但是在该高维映射关系中,预测目标量往往仅在输入参数空间中的少数方向上梯度显著,称之为活跃方向。当活跃方向与空间基的方向不一致时,采用传统的全局敏感性方法难以高效地分析出主控参数以及后续的湍流燃烧机理。而活性子方法可以通过梯度的协方差矩阵特征分解得到上述活跃方向。本文综述了活性子空间方法理论及在湍流燃烧模拟中的应用:即探究海量输入参数空间中的活跃方向,构造低维活性子空间和低维响应面,从而高效地量化模拟不确定性、表征主控物理过程,从而揭示湍流燃烧机理。最后,进一步探讨了基于活性子空间分析方法的湍流燃烧调控。

关键词：活性子空间方法湍流燃烧参数降维主控机制不确定性分析

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机器学习在湍流燃烧及发动机中的应用与展望

清华大学学报（自然科学版） 2023年第4期63卷 462-472页

作者：安健陈宇轩苏星宇周华任祝寅清华大学航空发动机研究院北京100084

随着燃烧科学的发展,数值仿真与实验测量产生了大量数据,这些数据隐含许多有效的物理信息。传统研究方法对此类信息主要利用基于物理规则的模型去处理,但随着数据量的增加,基于数据驱动的方法开始受到重视。机器学习(machine learning,... 详细信息

随着燃烧科学的发展,数值仿真与实验测量产生了大量数据,这些数据隐含许多有效的物理信息。传统研究方法对此类信息主要利用基于物理规则的模型去处理,但随着数据量的增加,基于数据驱动的方法开始受到重视。机器学习(machine learning,ML)技术由于在数据分析和处理方面取得了巨大成功,为处理燃烧领域的大量数据提供了一种新的范式。该文简要介绍了ML在湍流燃烧中的应用,主要包括化学反应、燃烧建模、发动机性能预测与优化、燃烧不稳定性预测与控制等4个方面,讨论了机器学习在燃烧研究中面临的挑战,并对未来应用进行了展望。

关键词：湍流燃烧机器学习大涡模拟神经网络智能控制

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输运概率密度函数中的小尺度标量混合建模

空气动力学学报 2020年第3期38卷 501-514页

作者：任祝寅解青杨天威周华清华大学航空发动机研究院北京100084 清华大学航天航空学院北京100084

输运概率密度函数方法能精确地求解湍流燃烧中的有限化学反应速率,但小尺度上分子扩散引起的组分变化则需要通过标量小尺度混合模型来模拟。论文综述了当前湍流预混燃烧中混合模型研究的最新进展。首先介绍了现有标量混合模型在不同预... 详细信息

输运概率密度函数方法能精确地求解湍流燃烧中的有限化学反应速率,但小尺度上分子扩散引起的组分变化则需要通过标量小尺度混合模型来模拟。论文综述了当前湍流预混燃烧中混合模型研究的最新进展。首先介绍了现有标量混合模型在不同预混燃烧模式下的表现:对于火焰面燃烧模式,保持组分空间的临近性对于标量混合模型非常重要,标量混合频率受火焰结构影响显著;对于破碎反应区模式,组分空间保持临近性的重要性有所减弱,标量混合频率由湍流主导。接着介绍了最新基于直接数值模拟数据的标量小尺度混合机制和建模研究,包括湍流预混燃烧中反应标量小尺度耗散机制、反应标量混合时间尺度在不同燃烧模式下的演化规律、依据线性混合思路构建的标量混合时间尺度模型。针对不同湍流预混燃烧模式的模型验证表明:相比于已有湍流混合时间尺度模型,新模型显著提升了对湍流预混火焰中的标量耗散率和燃烧特性的预测精度。最后介绍了大涡模拟/输运概率密度函数方法在近极限湍流预混火焰,如甲烷预混值班火焰和湍流对冲预混火焰中的应用,验证了其对贫燃、高湍流度条件下的湍流-化学反应相互作用及局部熄火/再燃现象的预测能力。

关键词：湍流燃烧输运概率密度函数方法标量混合模型近极限燃烧发动机低排放燃烧

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湍流预混火焰点火与传播特性研究

工程热物理学报 2018年第2期39卷 446-449页

作者：霍佳龙杨声任祝寅 C K Law 清华大学燃烧能源中心北京100084 普林斯顿大学机械与航空宇航系

可燃预混气的点火与传播过程是发动机燃烧领域最重要的课题之一,尤其是湍流与化学反应的相互作用对预混气点火和火焰传播的影响机理有待进一步研究。本文利用定压球形火焰研究了氢气/氧气/氩气(Le<1)在可燃极限条件(当量比0.3)下湍流对... 详细信息

可燃预混气的点火与传播过程是发动机燃烧领域最重要的课题之一,尤其是湍流与化学反应的相互作用对预混气点火和火焰传播的影响机理有待进一步研究。本文利用定压球形火焰研究了氢气/氧气/氩气(Le<1)在可燃极限条件(当量比0.3)下湍流对点火与火焰传播过程的影响,研究表明,在该工况下,湍流有助于可燃气点火过程,火焰传播过程中,由于湍流的影响,局部拉伸率大于0的区域火焰传播增快,局部拉伸率小于0的区域火焰传播受到抑制,甚至出现局部熄火。

关键词：湍流燃烧球形火焰点火传播