Modeling the burning processes of biomass such as wood, grass, and crops is crucial for the modeling and prediction of wildland and urban fire behavior. Despite its importance, the burning of solid fuels remains poorly understood, which can be partly attributed to the unknown chemical kinetics of most solid fuels. Most available kinetic models were built upon expert knowledge, which requires chemical insights and years of experience. This work presents a framework for autonomously discovering biomass pyrolysis kinetic models from thermogravimetric analyzer (TGA) experimental data using the recently developed chemical reaction neural networks (CRNN). The approach incorporated the CRNN model into the framework of neural ordinary differential equations to predict the residual mass in TGA data. In addition to the flexibility of neural-network-based models, the learned CRNN model is fully interpretable, by incorporating the fundamental physics laws, such as the law of mass action and Arrhenius law, into the neural network structure. The learned CRNN model can then be translated into the classical forms of biomass chemical kinetic models, which facilitates the extraction of chemical insights and the integration of the kinetic model into large-scale fire simulations. We demonstrated the effectiveness of the framework in predicting the pyrolysis and oxidation of cellulose. This successful demonstration opens the possibility of rapid and autonomous chemical kinetic modeling of solid fuels, such as wildfire fuels and industrial polymers.


翻译:模拟木、草和作物等生物物质燃烧过程对于模拟和预测野地和城市火灾行为至关重要。尽管这种做法很重要,但固体燃料的燃烧仍然不易理解,这可以部分归因于大多数固体燃料的未知化学动能动力学;大多数可用的动能模型是建立在专家知识基础上的,需要化学洞察力和多年经验。这项工作提供了一个框架,以便利用最近开发的化学反应神经网络,自主发现生物物质热解动能模型;该方法将CRNN模型纳入神经普通差异方程式框架,以预测TGA数据中的残余质量。除了基于神经网络的模型的灵活性外,所学的CRNN模型完全可以解释,将基本物理法,如大规模行动法和Arrhenius法,纳入神经网络结构。随后,所学的CRNN模型可以转化为生物物质化学动能模型的经典形式,这有利于提取化学洞察力和将感动性模型纳入TGA数据中的残余质普通差异方程式模型,以便预测TGA数据中的残留质量模型和自主性燃料。我们展示了这种快速的化学模型,从而进行快速地分析。

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