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学院公告

陕西省自然科学奖公示信息(2021年度)

2021-04-20

一、项目基本情况

项目名称

点火与火焰传播精准表征和过程调控的理论及应用

主要完成人

黄佐华,陈正,张英佳,胡二江,姜雪,王金华

主要完成单位

西安交通大学,北京大学

 

二、提名意见(适用于部门、机构提名)

提 名 者

陕西省教育厅

提名等级

■一等奖    □二等奖及以上

提名意见:

本项目在国家自然科学基金、973课题持续支撑下,历经12年系统深入研究,建立了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,发展了层流火焰速度非线性模型,提出了点火和火焰传播耦合的爆震边界预测方法和活性组份介入的点火强化方法,构建了火焰传播速度精准表征的理论模型,形成了点火和火焰传播过程耦合的燃烧定向调控思想,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设计中得到应用。

本项目5篇代表性论文Web of Science他引414次,2篇ESI高被引论文。国内外大会特邀/主旨报告15次,授权专利4项。研究成果已得到国内外著名学者的认可,提出的层流火焰速度非线性模型被认为是标志性成果,国际燃烧学会评价本项目“对点火和层流火焰传播的理论创新和火焰传播速度的精准表征做出了突出贡献”,推动了本领域的学术发展。

第一完成人担任国际期刊Fuel主编,国际燃烧学会首届会士,国际内燃机学会理事,中国工程热物理学会燃烧专委会副主任。2015汤森路透工程领域全球高被引学者,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。培养青年长江2人、优青2人、万人青拔2人。第二完成人担任Combust Flame副主编,国际燃烧学会会士,获国际燃烧学会Bernard Lewis Fellowship奖、Hiroshi Tsuju Early Career Researcher Award奖(首位中国学者)。

推荐本项目申报陕西省自然科学一等奖。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

说明:省科学技术奖一、二等奖项目,实行按等级标准提名、独立评审表决的机制。提名单者应严格依据省科学技术奖的标准条件,说明提名项目的贡献程度及等级建议。“仅提名一等奖”评审落选项目不再降格参评二等奖。提名项目正式提交后,提名等级建议本年度不得变更。

 

 

 

三、项目概况

(限2页)

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。

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、热质扩散输运等复杂过程非线性耦合,物理化学过程解耦困难,相关理论认识仍不完善,模型预测精度低,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、973课题持续支撑下,历经12年系统深入研究,建立了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,发展了层流火焰速度非线性模型,提出了点火和火焰传播耦合的爆震边界预测方法和活性组份介入的点火强化方法,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。主要研究内容和科学发现如下:

1)研究了自由基质扩散和化学效应对临界点火边界影响的理论机制,开发了反射激波结合吸取光谱的活性基诊断方法,系统测量了不同燃料氧化过程OH浓度时程和点火延迟期,解析了活性自由基低温动力学迁移理论机制,为宽工况点火强化提供理论依据;

(2)研究了火焰传播速度随拉伸率变化的非线性依赖关系,系统评估了影响层流火焰速度测量精度的因素,提出了降低测量误差的方法,建立了发动机燃料化学反应动力学模型验证精度水平的层流火焰速度数据库,推动了层流火焰和高温燃烧化学理论的发展;

(3)研究了热物理边界对点火延迟和火焰传播速度的影响规律,探究了火焰传播和末端混合气自点火的时间竞争机制,验证了新方法在实际动力装置设计中的适用性,支撑了动力装置设计优化。

本项目5篇代表性论文Web of Science他引414次,2篇高被引论文。国内外大会特邀/主旨报告15次,授权专利4项。提出的层流火焰速度非线性模型,发展的自由基浓度时程诊断方法,提出的点火与火焰传播耦合的内燃机爆震预测新方法并应用于工程实际。

美国两院院士Law教授、爱尔兰皇家科学院院士Curran教授、国际燃烧学会前主席Kohse-H?inghaus教授、中国工程院院士黄震教授等学者评价称“大活化能渐近理论分析求解了一维球形传播火焰”、“活性组分介入方法可有效研究低温氧化、降低宽工况点火延迟”、“混合燃料层流火焰速度的最优模型”等,国际燃烧学会评价“对点火和层流火焰传播的理论创新和火焰传播速度的精准表征做出了突出贡献”,推动了本领域的学术发展。

第一完成人担任Fuel主编,国际燃烧学会首届会士,国际内燃机学会理事,中国工程热物理学会燃烧专委会副主任。2015汤森路透工程领域全球高被引学者,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。培养青年长江学者2人、优青2人、万人计划青拔2人。

 

 

四、客观评价

【限2页。围绕科学发现点的原创性、公认度和科学价值进行客观、真实、准确评价。填写的评价内容要有客观依据,主要包括国内外同行在重要学术刊物(专著)和重要国际学术会议等公开发表的学术性评价意见,国内外重要科技奖励等,可在附件中提供证明材料。非公开资料(如私人信函等)不能作为评价依据。】

美国工程院院士、斯坦福大学Hanson教授直接采用本项目点火理论说明局部非均匀自点火现象。澳大利亚南昆士兰大学Wandel教授撰文称本项目“发现长链醇类燃料在低温和高温下不同的点火特性”、“阐明了羟基官能团导致脱氢反应形成稳定中间产物是抑制低温链分支反应的主要原因”;反应动力学领域专家、意大利米兰理工Ranzi教授在其关于层流火焰速度的综述论文中指出“Chen系统地评估了影响层流火焰速度测量精度的因素”。美国国家标准与技术研究院Linteris研究员评价本项目提出的层流火焰速度模型“在路易斯数≥1时可获得准确结果”;国际燃烧学会会士、葡萄牙里斯本大学Costa教授在对不同压力和稀释气对层流火焰速度影响的综述研究中,将本项目工作作为代表性实验结果予以报道。

 

 

、代表性论文专著目录

(不超过8条,其中代表性论文不超过5篇,代表性专著不超过3部)

序号

论文专著

名称

刊名

编辑

年卷页码(xxxxxx页)

发表时间

通讯编辑

第一编辑

国内编辑

他引总次数

检索数据库

常识产权是否归国内所有

1

An ignition delay time and chemical kinetic study of ethane sensitized by nitrogen dioxide

Fuel

Fuquan Deng

Youshun PanSuchuan Sun

Wuchuan Sun

Feiyu Yang

Yingjia Zhang

Zuohua Huang

207: 389-401

2017

张英佳

邓福泉

邓福泉姜雪

潘有顺

孙五川

杨飞宇

张英佳

黄佐华

9

WOS

2

On the critical flame radius and minimum ignition energy for spherical flame initiation

Proc Combust Inst

Zheng Chen

Michael P. Burke

Yiguang Ju

33: 1219-1226

2011

陈正

陈正

陈正

66

WOS

3

Effect of hydrogen

addition on early flame growth of lean burn natural gas-air mixtures

Int. J Hydrogen Energy

Jinhua Wang

Zuohua Huang

Chenglong Tang

Jianjun Zheng

35(13): 7246-7252

2010

黄佐华

王金华

王金华

黄佐华

汤成龙

郑建军

88

WOS

4

On the extraction of laminar flame speed and

Markstein length from outwardly propagating

spherical flames

Combust Flame

Zheng Chen

156:291-300

2011

陈正

陈正

陈正

147

WOS

ESI

5

Experimental and modeling study of the auto-ignition of n-heptane/n-butanol mixtures

Combust Flame

Jiaxiang Zhang

Shaodong Niu

Yingjia Zhang

Chenglong Tang

Xue Jiang

Erjiang Hu

Zuohua Huang

160(1): 31-39

2013

黄佐华

张英佳

张家祥

张家祥

牛少东

张英佳

汤成龙

姜雪

胡二江

黄佐华

104

WOS

ESI

6

内燃机替代燃料燃烧学

西安交通大学出版社

蒋德明

黄佐华

200791

SSBN 978-7-5605-2207-5

2007

蒋德明

黄佐华

蒋德明

黄佐华

蒋德明

黄佐华

吴东银

高剑

廖世勇

汪映

张俊强

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

合  计

414

WOS

补充说明(视情填写):

 

 

 

 

六、主要完成人情况表

 

姓    名

黄佐华

排    名

1

行政职务

技术职称

教授

工作单位

西安交通大学

完成单位

西安交通大学

对本项目主要学术贡献:是发现点1、2、3主要学术思想的提出者,代表性论文1、3、5的通讯编辑,是代表性专著的主编。发现了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,提出了点火与火焰传播耦合的内燃机爆震预测新方法,实现了内燃机爆震边界准确预测,方法应用于高强化内燃机燃烧过程优化设计。投入本项目的工作量为80%

 

 

姓    名

陈正

排    名

2

行政职务

副院长

技术职称

研究员

工作单位

北京大学

完成单位

北京大学

对本项目主要学术贡献:是发现点2的主要学术贡献者,代表性论文2和4的第一/通讯编辑。提出了层流火焰速度的非线性模型,发展了多因素影响的层流火焰速度测量精度控制方法,实现了测量精度的标志性提升,是目前国际处理层流火焰速度的通用方法。投入本项目的工作量为70%。

 

 

 

姓    名

张英佳

排    名

3

行政职务

技术职称

教授

工作单位

西安交通大学

完成单位

西安交通大学

对本项目主要学术贡献:是发现点1和3的主要学术贡献者,代表性论文1和5的通讯编辑。发展了反射激波结合紫外光谱吸取诊断方法,实现了痕量活性自由基的定量测量,提出了活性组分激励点火强化方法,在装备中得到初步应用。投入本项目的工作量为60%。

 

 

 

 

 

姓    名

胡二江

排    名

4

行政职务

系副主任

技术职称

教授

工作单位

西安交通大学

完成单位

西安交通大学

对本项目主要学术贡献:是发现点2的主要学术贡献者,代表性论文5的合作编辑。提出了全路易斯数范围适用的层流火焰速度高阶非线性模型,建立了实际燃料层流火焰速度数据库。投入本项目的工作量为60%。

 

 

 

 

 

姓    名

姜雪

排    名

5

行政职务

技术职称

副教授

工作单位

西安交通大学

完成单位

西安交通大学

对本项目主要学术贡献:是发现点1的主要学术贡献者,代表性论文5的合作编辑。阐明不同化学结构燃料活性自由基生成机理,揭示了活性自由基自点火激励机制,建立了多类型掺混燃料点火延迟期数据库。投入本项目的工作量为60%。

 

 

 

 

 

姓    名

王金华

排    名

6

行政职务

系主任

技术职称

教授

工作单位

西安交通大学

完成单位

西安交通大学

对本项目主要学术贡献:是发现点3的主要学术贡献者,代表性论文3的第一编辑。系统测量了层流火焰速度,给出了其与温度、压力、当量比等边界条件的定量依赖关系。投入本项目的工作量为50%。

 

 

 

 

 

七、主要完成单位情况表

 

单位名称

西安交通大学

对本项目主要学术贡献:

发展了自由基吸取光谱诊断方法,给出了点火新理论中自由基理化作用的实验证据;发现了无C-C键结构燃料低温链分支加速效应,为宽工况点火强化提供理论依据;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,推动了层流火焰和高温燃烧化学理论的发展;发展了多燃料点火延迟和层流火焰速度理论关系式,建立了火焰传播与末端混合气自点火耦合表征方法,实现了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,为宽空域航空发动机燃烧室适应性提升提供新思路。相关理论和方法已在工程装备中得到应用。

 

 

 

 

单位名称

北京大学

对本项目主要学术贡献:

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,解决了传统模型无法描述点火过程自由基效应问题;获得了描述球形火焰传播过程的理论解,提出了描述火焰传播速度与拉伸率的非线性模型,发展了多因素修正的层流火焰速度测量方法,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。

 

 

 

 

 

完成人合作关系说明

 

第一完成人黄佐华与陈正联合完成国家自然科学基金重点项目(51136005);

第一完成人黄佐华与张英佳合作发表代表性论文1和5;与胡二江、姜雪合作发表代表性论文5;与王金华合作发表代表性论文3;

第一完成人引导张英佳、胡二江、姜雪、王金华博士论文,其中两篇论文获优博提名奖,一篇获陕西省优博;

张英佳、胡二江、姜雪、王金华是第一完成人主持的973课题(2013CB228406)的骨干及参研成员。

本项目所有完成人获得2021年度陕西高等学校科学技术一等奖。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

完成人合作关系情况汇总表

 

序号

合作方式

合编辑/项目排名

合作时间

合作成果

证明材料

1

共同立项

共同获奖

黄佐华(1)/陈正(2)

2012.1-2016.12

若干燃料的着火特性、层流火焰传播和化学反应动力学研究

项目计划书

获奖证书

2

论文合著

共同立项

共同获奖

黄佐华(1)/张英佳(3)

2006.9-2021.3

论文:An ignition delay time and chemical kinetic study of ethane sensitized by nitrogen dioxide

论文:Experimental and modeling study of the auto-ignition of n-heptane/n-butanol mixtures

项目:多元燃料燃烧评价指数及其对热效率和排放影响的基础理论研究

代表性论文1和5

批准书

获奖证书

3

论文合著

共同立项

共同获奖

黄佐华(1)/胡二江(4)

2006.9-2021.3

论文:Experimental and modeling study of the auto-ignition of n-heptane/n-butanol mixtures

项目:多元燃料燃烧评价指数及其对热效率和排放影响的基础理论研究

代表性论文5

批准书

获奖证书

4

论文合著

共同立项

共同获奖

黄佐华(1)/姜雪(5)

2011.9-2021.3

论文:Experimental and modeling study of the auto-ignition of n-heptane/n-butanol mixtures

项目:多元燃料燃烧评价指数及其对热效率和排放影响的基础理论研究

代表性论文5

批准书

获奖证书

5

论文合著

共同立项

共同获奖

黄佐华(1)/王金华(6)

2003.9-2021.3

论文:Effect of hydrogen addition on early flame growth of lean burn natural gas-air mixtures

项目:多元燃料燃烧评价指数及其对热效率和排放影响的基础理论研究

代表性论文3

批准书

获奖证书

 

 

 

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