核密度加权PCA生成流形的火灾复杂系统模型降阶研究

A novel method about fire modelling is proposed by fusing important characteristic information of fire using kernel density weighted method and reduced-order models of complex system for numerical simulation of fire built through manifold generated from principal component analysis (PCA). In this application project, research contents include the following aspects: The massive amounts of high fidelity data for modelling are obtained by precise experimental measurement, direct numerical simulation (DNS), as well as computation of one-dimension turbulent (ODT) modeling; The kernel density weighted PCA method need to study in order to information fusion of fire including processing for those data-sets being non-homogenous data density and strong non-linear relationships characterizing the data sample. The kernel density weighted transport equations are derived through conservation laws and mapping relationships among combustion parameters as well as dissipative structures in combustion field, and unknown terms in these equations are needed modeling; The methods of global and local manifold generated from PCA are studied for dimensionality reduction of complex system. Through the above research, hope to develop the theory about reduced-order fire models by kernel density weighted PCA generating manifold analysis method.

提出了火灾建模的新方法，即，采用核密度加权法，融合火灾重要特征量信息，由主成分分析生成流形，进行火灾复杂系统的模型降阶，以完成火灾过程的数值模拟。申请项目研究燃烧过程核密度加权的主成分分析方法，基于主成分分析的低维流形构建、以及复杂系统的模型降阶方法，包括：建立描述火灾特征的实验装置，通过燃烧场诊断技术，获取实验数据；采用直接数值模拟DNS和一维湍流ODT模拟，构建海量的高保真建模数据库；针对非均质数据密度、以及强非线性特征的数据集合，推导物理量核密度加权的控制方程，完成未知项的模化，以研究核密度加权主成分分析的信息融合方法；研究基于全局和局域主成分分析生成流形的方法，以获得低维模型。通过以上研究，建立基于核密度加权PCA生成流形分析的火灾复杂系统模型降阶的理论体系，推动火灾动力学的发展。

火灾涉及燃料与火焰抑制剂种类繁多，时空刚性问题导致数值模拟计算量极大，另一关键问题是燃料与火焰抑制剂化学反应动力学机理缺乏。项目聚焦火灾建模的新方法，对火灾复杂系统进行模型降阶，采用先进测量技术和理论，研究制定复杂燃料与火焰抑制剂详细反应机理，以完成火灾过程的数值模拟。. 研究内容包括：建立燃烧场激光诊断测试装置，新材料制备和研发实验台，研究火灾涉及的扩散和预混火焰及其火焰抑制计算、以及复杂燃料与火焰抑制剂化学机理制定；研发直接数值模拟DNS和一维湍流ODT模拟程序，为建模与模型验证提供海量的高保真数据库；研究燃烧复杂系统的模型降阶理论和数值方法，发展火灾过程数值模拟程序。. 通过项目实施，建立了二套燃烧场诊断的激光测试装置，即激光粒子图像测速PIV系统、以及平面激光诱导荧光PLIF火焰诊断系统，可进行燃烧与火焰抑制中的火焰传播速度、熄火拉伸率、以及OH的测量。研发出直接数值模拟DNS和可变密度一维湍流ODT模拟程序，DNS可达类谱精度，ODT可分析直到耗散尺度的复杂化学与湍流的相互作用。由化学爆炸模式分析CEMA和核密度加权的主成分分析PCA，进行了燃烧尺度分析。研究了流形理论，进行了燃烧的经验低维流形ILDM的计算，提出基于人工神经网络的等距映射算法Isomap-ANN刻画低维流形，弥补线性降维算法在处理具有非线性结构数据集合时的缺陷。提出基于实时尺度分析的燃烧分区模拟方法，采用低维流形对燃烧不稳定区进行模化计算。. 燃烧的物理本质是尺度问题，而其数学本质是流形问题，采用低维流形对燃烧过程进行建模与计算具有重要的科学价值。以往对火灾抑制剂研发效果采用宏观灭火剂消耗量来评价，包含了物理覆盖作用，因此是不合适的，项目研究表明，不同当量比下火焰速度的降低来评估火焰抑制剂效果可精确量化理化作用，对于航空等需高效灭火剂的研发具有重要意义。