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2024.6.27,课题组王子淇、黄海同学荣获AI for Science燃烧建模竞赛奖!

发布时间:2024-06-27
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2024-06-27
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2024.6.27,课题组王子淇、黄海同学荣获AI for Science燃烧建模竞赛奖!
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2024.6.27,课题组王子淇、黄海同学荣获AI for Science燃烧建模竞赛奖!

2024年6月27日,在北京科学智能研究院、北京大学举办的AI4S Cup-燃烧化学ODE积分反应速率预测比赛中,由西安交大能动学院绿色氢电全国重点实验室的张玮杰助理教授、王金华教授指导的团队“CombXJTU”(组员王子淇、黄海)自主设计开发的全流程AI辅助燃烧计算模型荣获“最佳模型精度奖”和“综合评估二等奖”的好成绩。

 

有限速率化学在燃烧建模中的应用通常能够提供对反应过程和火焰动力学更全面和准确的描绘。然而,其直接积分刚性常微分方程组(ODEs)面临着巨大的计算成本。即使使用了简化后的机理,通常仍然保留数十种表现出明显不同化学时间尺度的化学组分,其化学ODE的积分求解是一项昂贵的任务,在实际燃烧CFD模拟中可占据超过80%的总计算成本。

 

机器学习技术的突破为解决反应流模拟中的准确性与效率之间的矛盾提供了新的机会。机器学习可以替代在燃烧模拟中直接积分化学源项的做法。然而,要确保在各种不同燃料和流动条件下具有高精度和泛化能力仍然存在挑战。在本次比赛,选手需要自主设计燃烧计算的数据采样、模型结构、模型训练、模型推理,在加速燃烧计算的同时保证计算结果的高精确度,并在DeepFlame提供的算例上进行部署验证。

 

燃烧的计算是多步迭代的过程,每个时间步累及的误差会反映在整个燃烧过程中。已有的研究表明,虽然模型的误差可能下降到很低但实际的积分过程还是会积累过大的误差。为克服这一问题,团队着重考虑高维火焰面数据集的设计,经过多次测试和验证,形成了兼具可靠性和高计算效率的流形采样算法。高维数据集由以下几个部分组成:(1)基于自动化生成一维火焰算例的代码,在OpenFOAM开源平台进行一维火焰模拟生成高维火焰热化学变量数据集;(2)通过添加噪声生成扰动数据集以考虑高湍流工况下多组分混合、反应的复杂情况,扰动数据集经过基于高维热化学变量邻近度的聚类算法消除了非物理数据点;(3)将火焰面数据集多次迭代,将深度神经网络的一维火焰模拟生成的高维火焰面数据作为下次迭代数据集的一部分,经过最多两次迭代就能大幅提高模型的泛化性。团队还对深度神经网络的超参数进行优化,得到的深度神经网络层数,神经元个数,损失函数算法兼具推理效率和可靠性。经验证,深度神经网络对不同组分的推理与原有数据集的均方根误差达到10-5数量级,具有极高的相关性。

赛题要求将选手采用自行设计的深度神经网络替代原有ODE积分实现对化学反应源项的快速求解。比赛以航空煤油的预混传播火焰为算例进行评测。航空煤油反应机理选取41组分的HyChem机理,在二维评测算例中设置未燃混合气初温800K,初始压力1atm,当量比1.0,并采用该初始状态的平衡态进行点火。二维评测算例为若干个变湍流强度的各项均匀同性湍流火焰、随时间演化的射流火焰。赛题采用三个评比方向:模型精度、模型效率和综合能力评估,以ODE化学积分结果为基准。本团队模型在精度方面,对若干个时刻的湍流火焰速度预测平均误差小于1%,在效率方面实现了50倍以上的加速比。最终在国内众多知名高校的百余名参赛队伍中取得综合评估第二名,获得了“最佳模型精度奖”和“综合评估二等奖”的好成绩,并获得了3万元比赛奖金。本次获奖证书由DeepFlame开源平台发起人、北京大学工学院陈帜研究员颁发。

西安交大能动学院绿色氢电全国重点实验室张玮杰助理教授、王金华教授领导的燃烧数值仿真研究团队致力于燃烧动力装备工业软件和数字化研究。数值仿真是实现发动机“预测式设计”和构建发动机数字孪生体的关键技术。自主可控的数值仿真工业软件和发动机数字化平台,对于支撑发动机研发和保障工业体系安全具有重要意义。我们致力于解决发动机“心脏”燃烧室的大涡模拟LES技术,面向多时空尺度化学反应及其与湍流的强耦合作用,开发适用于工业应用和兼具效率、精度、稳定性及易用性的先进求解方法。目前主要开发火焰面模型(Flamelet)体系,以建表降维实现燃烧计算数量级式加速,建立AI赋能的复杂燃烧高保真复刻方法,并开发CPU/GPU异构并行加速模型方法。

 

团队近年来主持两机专项课题、国家自然科学基金联合基金重点项目、面上、青年项目等,在燃烧、能源、航空航天等国际权威期刊Combustion and Flame, Combustion Theory and Modeling, Proceedings of the Combustion Institute等期刊上发表系列研究论文,研究成果应用于两机燃烧室工业软件研发、航发新型燃烧技术研发等工程实际。

 

团队将继续秉持着“AI for science”的理念,结合最新的人工智能技术解决燃烧化学反应数值模拟高计算成本的难题,推动AI辅助燃烧设计进一步发展。