项目名称：面向发动机燃烧优化的活性基激励点火和火焰传播理论及过程调控

完成单位：西安交通大学，2138cn太阳集团古天乐

完成人：黄佐华，陈正，张英佳，胡二江，姜雪，王金华，汤成龙，李倩倩，张猛，殷阁媛，蔡骁

项目简介：

该项目属动力工程及工程热物理学科，支撑内燃机和航空发动机技术领域。

发动机广泛应用于交通运输和军事装备等重要领域，关乎国民经济和国防安全，是我国必须自主研发的核心装备。燃烧室是发动机的心脏，点火和火焰传播是燃烧室设计的关键，涉及自由基化学反应、热力边界、热质扩散输运等多过程复杂非线性耦合。由于相关物理化学过程解耦困难，目前点火和火焰传播的理论认识仍不完善，导致宽工况点火性能差、火焰传播速度预测精度低，并成为了高性能发动机自主研发的瓶颈问题。

本项目在国家自然科学基金重点项目、“973”课题等项目的持续支持下，围绕点火机理及强化方法和火焰传播理论及高精度预测方法，历经13年系统深入的研究，建立了含活性自由基质扩散和化学协同作用的点火-火焰传播新理论，提出了活性组份介入点火强化方法，解决了传统理论无法准确描述爆震燃烧边界和低温自点火边界的难题，在内燃机和航空发动机部件设计中得到应用。主要科学发现点有：

（1）发现自由基时程演化与火核发展的关联性，建立了低温链式反应点火新理论：发现了传统点火理论在描述大分子碳氢燃料点火时的缺陷，构建了考虑活性自由基质扩散和链式化学反应的点火理论模型，解决了传统点火模型无法描述低温等离子体点火过程自由基促进效应问题；发现了无C-C键结构燃料低温链分支加速效应，阐明了多结构燃料低温活性自由基生成化学机制，发展了自由基吸收光谱诊断方法，实现了微秒级自点火过程痕量自由基浓度时程的定量测量，给出了点火新理论中自由基理化作用的实验证据，为宽工况点火强化提供理论依据。

（2）提出层流火焰速度的非线性模型，实现了层流火焰速度的高精度测量：首次通过大活化能渐近理论分析获得了描述球形火焰传播整个过程的理论解，实现了对临界火焰半径的准确预测；提出了描述层流火焰速度与拉伸率的非线性模型，量化和修正了影响层流火焰速度测量精度的因素，构建了考虑多因素耦合的层流火焰速度高精度测量方法，实现了化学反应动力学模型验证精度下的层流火焰速度测量；建立了发动机模型燃料和实际燃料的层流火焰速度数据库，明晰了边界条件对层流火焰速度的影响规律，推动了高温燃烧化学理论的发展。

（3）建立点火和火焰传播耦合的爆震预测方法，提出了活性组分介入点火强化新途径，在动力装置中应用：发展了高效准确模拟点火、火焰传播与加速、以及爆震燃烧的自适应数值模拟方法，实现了从点火核到火焰传播和爆震波发展全物理过程精准捕捉，揭示了燃料低温化学反应对点火、火焰传播及爆震燃烧的影响机理；发展了多燃料点火延迟和层流火焰速度理论关系式，建立火焰传播时间与末端混合气自燃时间优化匹配方法，实现了高增压内燃机爆震燃烧边界的准确预测；揭示了结构差异化组合燃料自由基化学协同作用机制，提出了低温OH富集活性组分介入点火强化方法，突破了传统方法点火延迟测温局限，实现了点火延迟期数量级降低，为宽空域航空发动机燃烧室适应性提升提供新途径。

本项目8篇代表性论文Web of Science他引461次，3篇ESI高被引论文，授权专利4项，国内外大会/特邀报告15次。提出的层流火焰速度非线性模型，实现了实验测量精度的跨越式提升，达国际最高水平，是目前层流火焰速度实验测量的国际通用方法；发展的痕量自由基浓度时程诊断方法，突破了国际上在该领域的方法垄断，实现了微秒级瞬态OH基浓度的定量测量；提出的点火与火焰传播耦合内燃机爆震预测新方法，已用于长安汽车高强化内燃机燃烧系统开发；提出的活性组分介入点火强化方法，在新柴股份有限公司气体燃料发动机4D27PNG设计开发中应用，在中航发624所TBCC加力燃烧室地面验证机上也得到验证。

法国科学院院士Poinsot教授在其专著《Theoretical and Numerical Combustion》中称本项目提出的非线性模型“是获得层流火焰速度的准确模型”。美国两院院士、普林斯顿大学Law教授；国际燃烧学会最高奖获得者、法国科学院Dagaut研究员；德国三院院士、彼得菲尔德大学Kohse-Höinghaus教授；爱尔兰皇家科学院院士、爱尔兰国立高威大学Curran教授；中国工程院院士、上海交通大学黄震教授等国际权威多次正面引用本成果，认为“活性组分介入方法可有效研究低温氧化”、“可实现宽温度范围反应活性提升、点火延迟降低的效果”、“大活化能渐近理论分析解决了一维球形传播火焰”、“预测混合燃料层流火焰速度的最优模型”等，国际燃烧学会评价称“黄对层流火焰研究做出了突出贡献”，研究工作推动了本领域的学术发展。

项目第一完成人担任能源领域国际期刊Fuel主编，国际燃烧学会首届Fellow，国际内燃机学会理事会理事，中国工程热物理学会理事兼燃烧专业委员会副主任。2015汤森路透工程领域全球高被引科学家，2016爱思唯尔能源、机械领域全球高被引学者，2014-2019能源领域中国高被引学者，获中国内燃机学会突出贡献奖、杰出成就奖，全国优秀科技工作者称号。培养教育部长江学者青年学者2人、基金委优秀青年基金获得者2人、中组部万人计划青年拔尖人才2人；国际燃烧学会Bernard Lewis Fellowship奖1人、Hiroshi Tsuju Early Career Researcher Award奖1人。