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航空發(fā)動機(jī)是國防、交通等領(lǐng)域的核心裝備，反應(yīng)了一個國家的科技和工業(yè)能力。只有掌握先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)技術(shù)，才能使我國在航空航天領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國家的競爭中獲得優(yōu)勢地位。掌握燃料燃燒的本質(zhì)和基礎(chǔ)理論，發(fā)現(xiàn)和闡明航空發(fā)動機(jī)燃燒過程的基本規(guī)律和其中涉及的物理化學(xué)機(jī)制，是我國在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域追趕直至超越發(fā)達(dá)國家的必要條件。

發(fā)動機(jī)工作在高溫高壓的嚴(yán)苛工況下，很難通過實(shí)驗(yàn)手段對其進(jìn)行全景式的定量研究。而傳統(tǒng)計(jì)算模擬方法無法正確高效地處理燃燒過程中劇烈化學(xué)反應(yīng)帶來的大量反應(yīng)路徑的量子化學(xué)計(jì)算。最近，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)方法為構(gòu)建具有量子化學(xué)精度、同時十分高效的模擬算法提供了可能。本研究專門為燃燒反應(yīng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方案，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在0.1飛秒的分辨率下對甲烷燃燒過程進(jìn)行了長達(dá)1納秒的反應(yīng)分子動力學(xué)模擬。

在團(tuán)隊(duì)近期開發(fā)的ReacNetGenerator軟件[Phys. Chem. Chem. Phys., 2020, 22, 683.]的幫助下，該工作不僅復(fù)現(xiàn)了多年來積累的甲烷燃燒骨架反應(yīng)機(jī)理，還發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個中間反應(yīng)路徑，揭示了甲烷燃燒的完整反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

目前團(tuán)隊(duì)正將該方法應(yīng)用于碳煙的生成機(jī)理、航空煤油的熱解以及含能材料的起爆機(jī)理研究中。該方法的進(jìn)一步發(fā)展還有望為有機(jī)合成路徑的逆分析提供新的思路。相關(guān)算法已集成至DP-GEN軟件中[Comput. Phys. Commun., 2020, 253, 107206.]供用戶下載使用。

值得一提的是本工作也是曾晉哲同學(xué)本科畢業(yè)論文的一部分，該畢業(yè)論文獲得了第二十五屆上海市大學(xué)生化學(xué)化工優(yōu)秀論文交流會一等獎。相關(guān)算法還獲得了全國及上海市的大學(xué)生計(jì)算機(jī)能力大賽一等獎。

本工作得到了國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃《面向發(fā)動機(jī)的湍流燃燒基礎(chǔ)研究》培育項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃和華東師范大學(xué)超算中心的支持。

參考資料

[1] 華東師范大學(xué)新聞中心，人工智能算法助力燃燒化學(xué)研究 華東師大科研團(tuán)隊(duì)取得重要進(jìn)展,https://news.ecnu.edu.cn/ff/5e/c1837a261982/page.htm