2023年, 第63卷, 第4期　
刊出日期：2023-04-15

  

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序言
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  序言

  吴玉新, 张扬, 祁海鹰

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 461-461.

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综述
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  机器学习在湍流燃烧及发动机中的应用与展望

  安健, 陈宇轩, 苏星宇, 周华, 任祝寅

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 462-472. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.001

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  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。
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  跨/超临界流体大涡模拟状态方程亚格子模型综述

  周明烁, 丁思宇, 王兴建

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 473-486. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.013

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  随着高效率、大推力燃烧技术的发展,跨/超临界流体流动的情况在先进动力装置中日益增加。研究跨/超临界流体流动与燃烧具有重要的应用价值。由于真实工况下实验测量成本高、风险大,可得到的实验数据有限,使用大涡模拟(large eddy simulation,LES)可获取详细流场结构和燃烧动力学特性信息。跨/超临界流体流动过程中热物性参数经历非线性剧烈变化,须引入真实气体状态方程并修正现有亚格子尺度建模理论。该文讨论了工程计算中常用的真实气体状态方程及其适用条件,阐述了状态方程亚格子模型的发展思路与历程,总结了4种亚格子密度模型的原理和性能等,并指出了跨/超临界流体流动与LES未来可能的研究方向,为准确快速计算跨/超临界流体问题提供思路,进而支撑新一代先进动力系统的研制与开发。
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  燃烧振荡声学抑制器的机理分析与设计优化

  余志健, 杨倩雯, 王译晨, 杨东, 朱民

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 487-504. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.024

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  燃烧振荡是发展低排放燃气轮机燃烧室需要解决的关键问题之一,未来燃气轮机燃烧室运行温度更高、具有更宽的工况运行范围及更复杂的几何结构(如轴向分级、环形燃烧室等),燃烧振荡存在高振幅、多振荡频率、多振荡频率时变和多热声模态共存等特点。采用声学抑制器被动控制燃烧振荡具有抑制器结构简单、可靠性高、成本较低等优势。针对未来的燃烧室,现有抑制器方案将面临很大挑战,因此,亟需开展宽吸声带宽、可控制多模态的声学抑制器及系统级燃烧室多声学抑制器设计优化研究。该文概述了国内外声学抑制器机理和设计优化的研究进展,着重总结了作者近年来在常规及多频段声学抑制器机理、抑制效果分析计算和复杂热声系统参数对声学抑制器特性影响,以及基于伴随方法的多声学抑制器多参数快速优化等方面的研究工作,并对未来燃烧室声学抑制器的发展方向进行了讨论。
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  火焰面方法进展及在燃机燃烧室模拟中的挑战

  张归华, 吴玉新, 吴家豪, 张扬, 张海

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 505-520. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.026

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  现代燃气轮机燃烧室参数持续提高,燃料种类不断丰富,燃烧技术深入开发,这对燃机燃烧过程数值模拟方法的发展提出了更高的要求。火焰面方法兼具准确性和计算效率高的特点,是燃气轮机燃烧室成熟数值模拟方法的主要选择之一。该文针对燃气轮机燃烧室未来多工况、高参数、低污染的发展趋势,从火焰面方法在自适应湍流燃烧模型中的应用、进度变量的优化选择、湍流燃烧耦合模型以及火焰面方法在污染物预测中的应用等4个方面,回顾了火焰面方法的相关模型及适用范围,分析了该方法在燃气轮机燃烧室中的应用及面临的挑战。在此基础上,对火焰面方法在未来燃气轮机燃烧室模拟中的发展方向提出了针对性建议。
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  航空煤油反应动力学模型的发展现状和挑战

  吴悠, 杨明, 杨斌

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 521-545. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.025

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  航空发动机数值仿真有助于加速发动机的研发进程,但需要准确可靠的航空煤油燃烧反应动力学模型。该文总结了近20年国内外航空煤油(Jet A和RP-3)及其模型燃料的研究进展,包括航空煤油的主要成分及理化性质测定、航空煤油及其模型燃料的基础燃烧实验、模型燃料构建方法及配方组成,以及模型燃料反应动力学模型的发展与验证等方面。航空煤油燃烧数值模拟的关键在于模型燃料的建立及其详细、简化燃烧反应动力学机理的发展,在高保真刻画燃烧反应动力学特性的前提下,航空煤油简化机理最终用于航空发动机燃烧室的计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真。该文将航空煤油反应动力学模型研究分为航空煤油的实验研究、模型燃料构建及其反应动力学模型研究3个部分,并着重讨论了此部分的发展现状与挑战。
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  火焰合成凝聚相纳米材料调控技术的研究进展

  沈畅, 邵森, 郭祺峰, 周宇昕, 游小清

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 546-559. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.016

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  火焰合成法是一种凝聚相纳米材料制备手段。该文聚焦于火焰合成凝聚相纳米材料形貌、组分和微观结构调控技术,关注火焰稳定性、火焰温度与组分场、产物粒径与形貌和产物理化性质4个方面。火焰稳定性调控主要总结了旋流稳定法(包括旋流数的计算方法和设计准则)、辅助火焰法、保护壳气法和高焓前驱液法等;火焰温度与组分场调控主要包括燃空当量比调节、冷却网架设、淬冷环架设和前驱液调控等技术;产物粒径与形貌可通过基底材料、液滴微爆、超细雾化、高沸点活性剂添加和等离子体放电等技术进行调控;产物理化性质可由晶体结构、元素掺杂、核壳类结构设计和后热处理等方法调控。前两方面注重材料外部火焰结构调控,后两方面注重材料内部性质调控,在实际实验或生产中,需要根据具体情况综合运用。
论文
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  来流预混均匀性对湍流射流火焰回火特性的影响

  李丹, 吕海陆, 张扬, 张海, 周托, 吕俊复

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 560-571. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.006

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  微混燃烧器的可燃气体预混发生在距燃烧器喷嘴出口较近的地方,可燃气在喷嘴出口可能存在一定的不均匀性,对回火的影响值得关注。使用高速摄像和纹影法实验观测了4种燃料预混方式对氢气(H₂)、一氧化碳(CO)和空气湍流射流火焰回火特性的影响,并使用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术测量了回火条件下的出口流场,结果表明在不同预混方式下,湍流射流火焰的回火都属于边界层回火,混合均匀性不影响湍流射流火焰回火机理。高速摄像结果显示,回火前接近化学当量状态下,预混火焰周围呈蓝色且存在扩散火焰层,而混合程度最劣条件下的一侧扩散火焰呈明显的橘红色,加之回火开始于同侧,表明该侧氢气浓度较高;随着混合均匀性改善,橘红色扩散火焰逐渐消失,发生回火的起始位置呈随机性。通过纹影图像能较清晰地分辨回火发生的时刻和位置,观测的回火过程用时与高速摄像结果一致。不同来流预混方式的回火速度范围存在一定差异,来流混合程度差更容易发生回火。结合PIV测量结果分析表明：来流预混形式对喷口附近气流速度场影响不大,其对回火的影响主要体现在浓度分布的变化,主要因素是壁面附近火焰传播速度的改变。
  
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  氢燃料微预混火焰燃烧不稳定性实验研究

  扈学超, 毕笑天, 刘策, 邵卫卫

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 572-584. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.027

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  该文针对一种自主设计的氢燃料微预混燃烧器,开展了常压下掺氢甲烷燃料微预混火焰燃烧不稳定性实验研究。从纯甲烷到纯氢气,研究了不同氢含量下NO_x排放、动态压力、火焰结构等燃烧特性,结果表明：该预混燃烧器具有较优异的低排放燃烧性能,可适应较宽氢含量燃料并实现稳定燃烧,其中纯氢燃料在绝热火焰温度1 850 K时NO_x不高于5 μmol/mol (干基,15% O₂摩尔浓度);在氢含量为10%和20%时,氢燃料微预混火焰出现振荡燃烧现象,且激发更高阶的谐波;在更高氢含量下微混火焰出现高频脉动,但幅值较低。利用本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法对振荡工况进行分析,提取其模态的时间系数和空间分布特征,发现一阶模态都表现为与整体脉动主频相同的体积振荡,二阶模态都表现为轴向脉动,脉动频率是主频的2倍。随着氢含量进一步升高,轴向模态渐渐转变为火焰间相互作用。
  
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  典型富氢燃料气预混火焰的熄灭特性

  邹俊, 李昭兴, 张海, 吕俊复, 张扬

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 585-593. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.009

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  宽燃料适应性是先进燃气轮机的重要设计要求之一,燃用来源广泛的富氢燃料气是燃气轮机未来发展的重要方向,因此富氢燃料气的湍流火焰熄火特性应成为燃气轮机燃烧室设计过程中重点关注的问题。该文通过使用优化的对冲火焰实验方法和数值模拟计算方法,比较了2种典型的富氢燃料气在层流和湍流燃烧状态下的熄灭拉伸率,并分析了贫燃侧2种燃料预混火焰熄灭拉伸率差异的主要原因。结果表明：在该文研究的工况范围内,采用数值模拟方法可较好地预测层流和湍流火焰的熄灭拉伸率。在层流燃烧状态下,火焰锋面内活性自由基H、O和OH的物质的量浓度相对更高的富氢燃料气,其火焰锋面内部的关键化学反应速率和释放热量的速度更高,因此能抵抗更高程度的火焰拉伸形变。湍流作用加快了火焰锋面内部的反应速率,但同时会使热量更快地从火焰锋面内部向外输运,相比于层流火焰,湍流火焰熄灭拉伸率降低。
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  湍流热伴流中氢气与乙炔射流自着火实验

  刘贵军, 刘佳悦, 张扬, 吴玉新

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 594-602. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.018

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  氢燃料燃气轮机是碳中和目标下氢燃料发电的关键设备,因此探究湍流热伴流中氢气自着火特征以及与碳氢燃料间的差异具有重要意义。该文采用湍流热伴流自着火实验系统,通过获取火焰图像和OH自由基分布,对比分析了氢气和乙炔在自着火类型、结构等方面的差异。结果表明：受氢气的高扩散系数和高火焰传播速度影响,氢气随机着火分布区域较紧凑,OH自由基分布较连续,同时难以观测到独立自着火核。此外,相较于乙炔,氢气自着火抬升高度对燃料射流速度敏感性较低,自着火位置波动性较弱。基于氢气射流自着火特征,该文还改进了自着火抬升高度预测模型,并证明了火焰传播在氢气射流自着火火焰稳定方面的重要作用。
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  多组分重油单液滴着火与燃烧特性

  陈健, 张扬, 张海

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 603-611. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.037

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  该文研究了3种多组分重油单液滴在高温环境下的着火、微爆和燃尽特性。通过管式炉实验,记录了单液滴重油在着火和燃烧过程中的特征时间和特征直径的变化规律。实验发现重油的着火延迟时间和燃尽时间与组分、温度、初始直径密切相关。由于重油液滴的组分复杂且沸点不同,因此在燃烧过程中发生的膨胀对其燃烧特性有重要影响。热重质谱(thermogravimetric-mass spectrometry,TG-MS)分析的结果可以较好地解释膨胀的频率和幅度。实验结果表明： 3种样品的膨胀次数与TG-MS结果中热解峰的数量一致,膨胀幅度与热解峰的高度呈正相关;多组分重油燃烧过程发生了明显的微爆现象。该文定义了液滴燃烧过程中的微爆强度,并发现其与重质组分占比、液滴初始直径和温度呈正相关关系。
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  预测NO_x排放的化学反应器网络自动生成方法

  高桥东, 雷福林, 张哲巅

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 612-622. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.011

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  计算流体力学-化学反应器网络(computational fluid dynamics-chemical reactor network,CFD-CRN)方法是一种预测燃烧室排放的手段,如何快速构建合理的CRN是一个需要解决的问题。为实现CRN的自动划分、构建和求解,基于Python语言开发了CRN自动生成程序并集成了Cantera求解器;对贫预混燃烧器和微混模型燃烧器的NO_x排放进行预测,并与实验数据对比验证,结果表明：给定划分标准,利用CRN自动生成程序可以读取CFD数据,实现快速有效地构建和求解CRN;利用CFD-CRN方法预测NO_x排放,应考虑散热损失以提高预测准确度;在划分标准合理的前提下,减少CFD计算的网格数和CRN的反应器数量依然能保证NO_x预测精度;同一CRN模版对不同工况有一定的适用性,可以用于预测相近工况的NO_x排放。
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  甲烷/空气燃烧NO_x排放数值模型对比

  孙继昊, 罗绍文, 赵宁波, 杨慧玲, 郑洪涛

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 623-632. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.022

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  为明确不同NO_x数值模型对甲烷/空气燃烧NO_x生成特性的适用性和差异性,以射流扩散火焰、旋流预混火焰、燃气轮机燃烧室为研究对象,分析了NO_x后处理模型法、解耦详细反应机理法和附加NO_x输运方程法对甲烷/空气燃烧NO_x生成特性模拟的适用性和差异性。结果表明：火焰后方N₂O的生成量较少,NO₂的生成量极少,NO含量占总NO_x的95.00%以上;NO_x后处理模型法可准确模拟火焰附近的NO_x生成位置和火焰后方的NO_x生成速率,但该模型低估了火焰位置的NO_x生成量和生成速率,并且不能再现火焰锋面附近N₂O浓度先升高后下降的变化规律;附加NO_x输运方程法对火焰锋面处的NO_x生成位置、生成量和生成速率的计算精度最高,但该模型低估了火焰锋面后方的NO_x生成速率;解耦详细反应机理法对NO_x生成特性的预测精度最差。
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  燃烧室流动混合过程的代理模型

  耿俊杰, 王兴建, 李嘉璐, 费腾, 祁海鹰

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 633-641. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.030

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  为了构建适用于燃烧室冷态流动混合过程的代理模型(surrogate model,SM)的方法,该文研究了构建过程中的关键步骤,通过使用Latin超立方抽样(Latin hypercube sampling,LHS)方法进行样本选取,在完成数值模拟后使用本征正交分解提取样本间的主要特征进行降维,再通过Kriging插值法完成工况插值。结果表明：该构建方法能够处理冷态高速、高湍流度、强旋流动和燃料/空气掺混,精度高于国际平均水平。同时,该文提出了构建方法的应用准则,为后续更复杂、包含燃烧反应过程以及结构变化的燃烧室SM构建奠定基础。
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  Gao-Yong湍流模型对边界层转捩的适用性研究

  孙逸凡, 朱炜, 吴玉新, 祁海鹰

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 642-648. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.010

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  准确预测边界层转捩对深入理解湍流边界层发展和飞行器翼型优化工业应用等具有重要意义。为提升Gao-Yong (G-Y)湍流模型对平板边界层发展及转捩特性预测的准确性与适用性,该文提出了采用G-Y漂移位矢Reynolds数(Re_T)表征当地湍流脉动强度的方法,建立实度系数(Cs)与Re_T间的函数关系,解决G-Y湍流模型中Cs取值间断、分布离散的问题。基于开源OpenFOAM软件开发了改进G-Y湍流模型的求解器,对经典平板边界层和转捩实验开展计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟并验证。研究结果表明,相比k-ω等传统雷诺平均(Reynolds averaged Naviers-Stokes,RANS)模型,改进后的G-Y湍流模型不仅能准确模拟边界层流动特征,还能合理预测边界层发展过程及转捩位置,准确性较高。结果表明,经过改进的G-Y湍流模型可进一步用于对边界层转捩特性的研究。
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  天然气同轴分级燃烧室污染物生成及预测

  孙继昊, 宋颖, 石云姣, 赵宁波, 郑洪涛

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 649-659. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.014

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  针对天然气燃气轮机污染物预测难度大的问题,该文基于数值模拟方法研究了燃烧室头部旋流数、分级面积比、分级轴向距离等典型因素对污染物生成的影响,在此基础上提出了基于神经网络的燃气轮机污染物预测模型。研究结果表明：头部旋流数、分级面积比增大会导致燃烧室内部最高温度升高,NO_x排放增多,而CO排放无明显变化;所构建的神经网络预测模型预测结果与数值模拟结果吻合,其中预测NO_x平均误差为4.58%,CO平均误差为0.97%,证实了神经网络模型预测燃气轮机污染物排放可行且准确。
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  天然气径向分级燃烧室低NO_x排放的优化研究

  田园, 耿俊杰, 孙逸凡, 祁海鹰

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 660-669. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.032

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  为解决天然气径向分级燃烧室NO_x排放超标问题,该文采用数值模拟和试验方法研究了天然气径向分级燃烧室结构改进策略和优化方案,多喷嘴参数匹配关系及部分负荷下NO_x排放的预测关系式。结果表明：改变掺混孔径的达标方案合理可行,得到孔径值44.45 mm和其他性能参数的变化规律;中心喷嘴是决定NO_x排放水平的主要因素;多喷嘴匹配关系的低排放设计准则是喷嘴燃料量相等;改进NO_x排放预测公式准确反映了其部分负荷行为。该研究可为燃烧室后续试验调试和设计改进提供理论依据。
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  航空发动机燃烧室两相湍流燃烧建模与仿真

  莫毅, 陈璠, 许笑颜, 焦哲, 卫刚, 林宏军, 肖为, 王方, 任祝寅

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 670-680. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.005

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  航空发动机燃烧室具有内部结构复杂、燃烧组织多样、物理化学过程多变的特点。数值仿真技术的工程应用可有效缩短燃烧室的研制周期,减少试验数量和设计风险,备受研究人员重视。该文依据航空发动机燃烧室工程应用仿真需求,通过分析燃烧室典型仿真的特点和难点设计了一套数据结构合理、流程架构可拓展性高的软件框架,针对性开发集成了10类具备高精度优势的雾化、蒸发和湍流燃烧模型,研制出一套具有完全自主知识产权、可高效运行于现代主流高性能计算机之上的并行自适应非结构网格的燃烧室两相湍流燃烧数值仿真软件。典型工程全环主燃烧室和加力燃烧室上亿网格规模算例和工况的测试结果表明：燃烧数值仿真软件的两相湍流燃烧耦合仿真功能、精度和并行效率基本满足航空发动机燃烧室工程实用要求。
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  基于神经网络的燃烧室壁面冷效预测方法

  刘江帆, 葛冰, 李珊珊, 芦翔

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 681-690. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.019

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  现代重型燃气轮机燃烧室的研发过程中,产生了大量的数值模拟和试验数据。其中,燃烧室火焰筒采用了先进发散冷却技术。该技术中,壁面冷效受发散孔型、主流/冷气压损等参数影响,难以建立基于理论模型和经验关联式的方法进行回归预测。针对工业研发产生的壁面冷效数据集,该文提出了基于人工特征选择、小批量化和归一化的数据预处理技术,建立反向传播(back propagation,BP)神经网络和径向基核函数(radial basis function,RBF)神经网络2种优化的神经网络模型,并通过交叉验证与网格搜索对算法模型进行超参数寻优,最终实现燃烧室壁面冷效的高精度场重建和高精度预测,场重建精度达90%,预测精度达85%,满足了工业燃烧室设计迭代中的实际工程需求。
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  不同冷却边界下燃烧室受迫振荡特性

  芦翔, 贾玉良, 吉雍彬, 葛冰, 臧述升

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(4): 691-696. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.021

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  为考察冷却边界对燃烧室受迫振荡特性的影响规律,该文通过试验与声模态计算相结合的方法,对比了冲击冷却边界和发散冷却边界对燃烧室内声压脉动特性的影响,探究了吹风比改变对发散冷却边界声学特性的影响。结果表明：发散冷却边界具有明显的吸声作用,发散冷却边界下燃烧室内声压脉动幅值相比于冲击冷却边界降幅最大达37.7%;发散冷却边界吸声能力与扰动频率相关,当扰动频率低于90 Hz或高于170 Hz时发散冷却边界吸声能力降低。此外,发散冷却边界在无冷气流动时吸声能力最优,吹风比增大会使发散冷却边界吸声能力明显降低。