一、 项目名称
亚跨超多模式燃烧理论与火焰稳定方法
二、 提名者及提名意见
提名者：中共陕西省委军民融合发展委员会办公室
提名意见：该项目在国家自然科学基金重大研究计划集成项目、国家自然科学基金重点项目、面上项目、青年项目、科工局某专项等国家重大科研项目的持续资助下，面向重复使用航天运输系统对宽域组合发动机的重大需求，以实现发动机高效稳焰为目标，开展了面向宽域组合发动机的亚跨超多模式燃烧理论与火焰稳定方法研究，进而发展了亚跨超燃烧多模式的表征、建模、求解理论体系，国际首次提出了宽域组合动力中亚跨超多模式燃烧过程的高精度、高效率计算新方法，首次揭示了亚跨超条件下的火焰稳定机理，建立了高效火焰稳定方法。国际首次实现了宽域组合发动机燃烧室亚跨超多模式燃烧过程的快速准确预示，有效支撑了飞行马赫数0~7的宽域组合发动机燃烧室高效稳焰工作。研究成果已成功应用到北京动力机械研究所、西安航天动力技术研究所和陕西空天动力研究院有限公司等国防科技工业相关单位，为型号发动机的研制提供了重要的技术支撑，取得了良好的应用效果，为我国国防装备研制提供了重要的支撑，国防应用价值和社会效益显著。相关成果推动了宽域组合发动机燃烧室高效燃烧技术的快速发展，加速促进了人工智能与燃烧、化学新兴交叉学科分支的形成与发展，5篇代表论文被Combust. Flame、Prog. Energy Combust. Sci.、Prog. Aerosp. Sci.等燃烧与航空航天领域顶级期刊他引103次，得到了国内外知名学者高度评价及应用。
成果材料齐全、规范、无知识产权纠纷，人员排序无争议，符合陕西省自然科学奖提名条件。特提名该项目为陕西省自然科学奖二等奖。
三、 项目简介
重复使用航天运输系统是重塑航空航天发展的战略制高点，也是国家“十四五”和2035远景目标纲要规划的战略科技前沿，对国防安全与国民经济发展具有重要意义。宽域组合发动机（工作马赫数范围0~7）具备宽速域、宽空域、高比冲与可重复使用的特征，是重复使用航天运输系统理想动力形式之一，其工作时燃烧室入口空气速度、温度和压力变化幅度巨大，燃烧室内亚声速、跨声速和超声速（亚跨超，速度范围0~2000m/s）燃烧流场并存，表现出“本质非稳态、流动宽速域、燃烧多模式、释热多分区”的显著特征，燃烧室精细化设计面临着：①湍流燃烧模型“建不准”：亚跨超条件下多种燃烧模式共存，导致现有的单一燃烧模型无法准确描述亚跨超流动与化学反应之间的耦合关系；②化学反应求解“算不快”：多种燃烧模式下化学反应过程与释热分布复杂，近极限状态多，须采用多步多组分化学反应模型进行仿真，计算量呈指数增加；③火焰稳定机理“搞不清”：缺乏精确高效的仿真手段，亚跨超多模式燃烧条件下火焰稳定机理难以准确揭示，以上难题给宽域组合发动机高效稳焰燃烧室的设计带来巨大挑战。
宽域组合发动机的亚跨超多模式燃烧理论与火焰稳定方法，是发动机燃烧室宽域高效稳焰的基础，也是突破宽域组合发动机技术工程应用瓶颈的关键，主要包括亚跨超燃烧模式的表征、建模和火焰稳定机理等基础科学问题。该项目在国家自然科学基金重大研究计划集成项目、国家自然科学基金重点项目、面上项目、青年项目、科工局某专项等国家重大科研项目的持续资助下，发展了亚跨超燃烧多模式的表征、建模、求解理论体系，国际首次提出了宽域组合发动机亚跨超多模式燃烧过程的高精度、高效率计算新方法，首次揭示了亚跨超条件下的火焰稳定机理，建立了高效火焰稳定方法。该项目主要研究内容与科学发现如下：
1. 提出了亚跨超燃烧多模式表征理论，形成了模式自适应的高精度燃烧模型。创新性的提出了有效释热视角下的燃烧模式分析方法及概率密度分布统计方法，建立了亚跨超燃烧多模式表征新理论。构建了输运-燃烧耦合的数值格式，形成了燃烧模式动态自适应的高精度燃烧模型，国际首次实现了宽域组合发动机燃烧室亚跨超多模式燃烧过程的准确预示，解决了湍流燃烧模型“建不准”难题。
2. 提出了基于神经网络的化学反应模型构建与快速求解新方法，形成了化学反应模型计算新理论。立足学科交叉，创新性的提出了基于神经网络的化学反应模型参数全局敏感性快速分析方法，建立了基于神经网络的化学反应模型求解方法，形成了化学反应模型计算新理论。国际首次实现了宽域组合发动机亚跨超多模式燃烧过程化学反应模型求解20倍的计算加速，解决了化学反应求解“算不快”难题。
3. 揭示了亚跨超流动条件下的火焰稳定机理，建立了火焰稳定方法。创新性的提出了定量评估火焰稳定的时间尺度与能量尺度、能量生成与耗散的准静态分析计算方法。明晰了火焰稳定过程中能量生成速率与耗散速率的动态演化与平衡机制，首次揭示了亚跨超流动下火焰稳定与失稳机理，建立了亚跨超流动下火焰稳定方法，有效支撑了宽域组合发动机马赫数0~7高效稳焰工作，解决了火焰稳定机理“搞不清”难题。
项目实施过程中在Combust. Flame、Prog. Aerosp. Sci.和P. Combust. Inst.等燃烧与航空航天领域顶级学术期刊上发表系列学术论文49篇，授权发明专利和软件著作权16项，5篇代表性论文获WOS核心合集他引103次。项目相关理论与发现掀起了国际上关于AI For Science新范式的广泛讨论，项目发现作为AI For Science社区、燃烧领域的重要前沿成果之一，被美、俄、英、法、澳、德、中等多国院士和知名学者在Combust. Flame、Prog. Energy Combust. Sci.、Prog. Aerosp. Sci.等燃烧与航空航天领域顶级学术期刊上广泛引用、高度评价与应用，国际燃烧学会英国大区主席William Jones教授、美国国务院高级科学顾问Jay P. Gore教授、美国工程院院士Chung K. Law教授、美国无人飞行器推进技术中心技术主管Tonghun Lee教授、中国科学院院士欧阳明高教授等均给出大篇幅的正面引用，相关成果被评价为“高效的评估了模型参数的敏感性”、“实现了高精度的化学反应计算”、“提升了对超声速燃烧的认识”；美国工程院外籍院士Jyeshtharag B. Joshi教授、中国工程院院士乐嘉陵研究员等均在相关研究工作中应用了该项目提出的新方法，成功获得了生物质热解过程的高精度模型和超声速火焰传播机理。
项目执行过程中，新增国家级人才4人，国际顶级期刊副主编1人，省部级人才5人，出站博士后3人，培养了30余名硕博士研究生，毕业后服务于高校、航空和航天等科研部门。项目开展了广泛的国际学术交流，邀请国外学者讲学和交流10余次，主要参研人员做特邀学术报告20余次，包括2021年美国航空航天学会全球科技论坛、第17届国际数值燃烧会议、第21届国际计算流体力学大会、2022美国国家科学基金会机器学习与输运现象论坛、第21届国际燃烧与传热传质学术交流会、第19届中国计算机大会等国内外重要学术会议，取得了显著的国内外学术影响力。
相关研究成果已成功应用到北京动力机械研究所、西安航天动力技术研究所和陕西空天动力研究院有限公司等国防科技工业相关单位，为型号发动机的研制提供了重要的理论和方法支撑，取得了显著的应用效果：
1. 针对北京动力机械研究所某型冲压发动机典型动态过程仿真不准、燃烧机理不清的难题，通过开展发动机内外流耦合一体化仿真与分析，阐明了发动机火焰稳定机理，显著提升了仿真精度，有效支撑了某型冲压发动机的研制，达到了预期性能；
2. 针对西安航天动力技术研究所某型固体火箭冲压发动机开展了高精度仿真及燃烧室流道优化设计等工作，获得了高效低阻的燃烧室流道，实现了宽域条件下燃烧室的高效稳定掺混燃烧，为发动机的总体方案设计提供了重要支撑；
3. 该项目成果直接应用在陕西空天动力研究院有限公司承担的各类发动机流道设计与仿真分析等技术服务中，在满足仿真精度的同时，大幅提高了计算效率，产生了良好的经济效益，近三年经济效益近千万元。
项目成果推动了宽域组合发动机燃烧室高效燃烧技术的快速发展，促进了人工智能与燃烧、化学新兴交叉学科分支的形成与发展，为我国国防装备的研制提供了重要的支撑，国防应用价值和社会效益显著。
四、 客观评价
该项目的代表性论文得到了来自美、俄、英、法、澳、德、中等多个国家的院士、国际燃烧学会会士等100余位知名学者在高水平期刊的高度评价与应用，评述如下：
发现点1：提出了亚跨超燃烧多模式表征理论，形成了模式自适应的高精度燃烧模型。
1. 中国工程院院士、吸气式高超声速技术领域专家乐嘉陵研究员在航天推进领域顶级期刊J. Propul. Power 4(2024)正面引用了发现点1的相关工作，肯定了该项目提出的方法与研究结果对非稳态燃烧过程模式的有效表征（…the transient auto-ignition process …can be divided into five stages）。
2. 美国工程院院士、斯坦福大学Ronald Hanson教授在燃烧学领域顶级期刊论文Combust. Flame 223 (2021)中正面引用了发现点1的相关工作，认为“是一种先进的数值方法”（…advanced numerical techniques…）。
3. 燃烧学会伯纳德-路易斯奖得主、美国奥克兰大学Peng Zhao教授在燃烧学领域顶级期刊Proc. Combust. Inst. 38 (2020)、Comput. Fluids 190 (2019) 和Energy, Environment, and Sustainability一书中多次正面引用并应用了发现点1的工作，肯定了新模型的鲁棒性与精度，并作为重要更新嵌入了其发展的计算平台（…the new features of this open-source platform include an advanced accurate mid-point splitting scheme…）
4. 美国航空航天学会会士、美国科学促进会会士、佐治亚理工Suresh Menon教授在燃烧领域顶级期刊Combust. Flame 192 (2018)中正面引用了发现点1的相关工作，指出新模型可以有效消除分裂误差，保证精度（…effectively eliminates the splitting error）。
5. 美国空军研究奖得主、明尼苏达大学Suo Yang教授在航空航天领域重要期刊与会议Aerospace 9 (2022)、AIAA SciTech Forum (2024)正面引用了发现点1的相关工作，肯定了新模型对近点熄火极限条件下燃烧动态特性的预测（…proposed steady-state preserving splitting schemes for those near-limit flame..）。
发现点2：提出了基于神经网络的化学反应模型构建与快速求解新方法，形成了化学反应模型计算新理论。
1. 美国工程院外籍院士、印度两院院士、国家莲花勋章获得者Jyeshtharag B. Joshi教授在化工领域顶刊J. Environ. Chem. Eng. 10(2022)上正面引用和应用了发现点2的相关工作，实现了生物质热解过程的重要参数辨识与建模（…were used to determine the relative importance of each input on output）。
2. 德国洪堡基金会贝塞尔奖得主、美国斯坦福大学首席研究员M. Ihme教授在燃烧领域顶级综述期刊Prog. Energy Combust. Sci. 91(2022)上题为“Combustion machine learning: Principles, progress and prospects”的综述文章中正面引用发现点2的相关工作，评价认为“高效的评估了模型参数的敏感性”（…this formulation provides a computationally efficient way to evaluate model sensitivities…）。
3. 中国化学会分子筛委员会委员、华南理工大学奚红霞教授在Chem. Eng. Sci. 243(2021)、Molecules 28(2023)正面引用并应用了发现点2的相关工作，实现了金属有机框架中的Xe/Kr分离过程的重要参数辨识与建模（…was used to … model for prediction of performance descriptor for Xe/Kr）。
4. 国际燃烧学会会士、英国大区主席、机械工程师学会会士、帝国理工William Jones教授连续在燃烧流动领域顶刊Combust. Flame 231(2021)、Combust. Flame 258(2023)、Phys. Fluids 33(2021)、Appl. Energy Combust. Sci. 12(2022)正面引用了发现点2的相关工作，详细描述并肯定了本项目提出方法的主要思路与结果，实现了高精度的化学反应求解。(…. which showed good agreement with DI）。
5. AIAA与ASME会士、美国国务院高级科学顾问、普渡大学Jay P. Gore教授在交叉学科领域重要期刊Energy AI 10(2022)正面引用了发现点2的相关工作，肯定了新方法的计算效率，评价认为“减少了8到20倍的计算时间”（…speedup factors of between 8 and 20 over a conventional ODE solver）。
6. 国家高层次人才、天津大学卫海桥教授在交叉学科领域重要期刊Energy AI 7 (2022)发表的综述文章“Machine learning for combustion”中，将发现点2相关方法作为该领域的显著成果进行了大篇幅的介绍和肯定。
7. 国际燃烧学会会士、剑桥大学N. Swaminathan教授主编的专著“Machine Learning and Its Application to Reacting Flows”中正面引用了发现点2的相关工作，介绍了发现点2的研究成果（…trained their ANN using … tested it for LES）。
发现点3：揭示了亚跨超流动条件下的火焰稳定机理，建立了火焰稳定方法。
1. 中国科学院院士、国家新能源领域专家组组长、清华大学欧阳明高教授在氢能源领域顶级期刊Int. J. Hydrogen Energ. 46(2021) 综述论文正面引用了发现点3的相关工作，充分肯定了该项目提出的火焰稳定机理和火焰稳定方法（…found that the five models have differences in combustion efficiency, subsonic zone volume, subsonic combustion heat release rate, and total heat release）。
2. 国家高层次人才、国防科技大学孙明波教授在氢能源领域顶级期刊Int. J. Hydrogen Energ. 48(2023) 正面引用了发现点3的相关工作，肯定了该项目提出的超声速火焰稳定机理，并作为参考开展了发动机火焰稳定机制分析（…flame stabilization is dominated by auto-ignition, premixed combustion mode dominates only in transient auto-ignition stage）。
3. 超声速燃烧领域专家、中科院力学所范学军研究员在航空航天顶级期刊Aerosp. Sci. Technol. 120(2022) 正面引用了发现点3的相关工作，高度肯定了发现点3提出的火焰稳定机理与方法，认为火焰稳定模式与试验结果一致，同时作为参考分析了射流火焰的稳焰机制（…was found to more accurately agree with the experiment data…）。
4. 美国无人飞行器推进技术中心技术主管，伊利诺伊大学Tonghun Lee在航空航天领域顶级综述期刊Prog. Aerosp. Sci. 119(2020) 正面引用了发现点3的相关工作，介绍并肯定了该项目提出的火焰稳定机理。
研究成果已成功应用到北京动力机械研究所、西安航天动力技术研究所和陕西空天动力研究院有限公司等国防科技工业单位，评价为“为发动机型号研制提供了重要支撑”、“为发动机总体设计方案提供了重要支撑”，“产生了良好的经济效益”。
