非稳态表面热流反演算法研究

表面热流的反演是一类典型的热传导逆问题。在采用有限体积法数值求解三维非稳态热传导问题的基础上,将该热传导逆问题转化为优化问题,建立了顺序函数法和共轭梯度法这两类反演算法。采用这两类算法对一个典型算例的计算结果表明:建立的两类反演算法都是有效的,具有较好的抗噪性能。顺序函数法的优势在于算法的推导和实现较为简便,但算法中存在人为确定的参数r,该参数的选取对反演结果有较大影响。共轭梯度法的算法中没有自由参数,但算法的推导和实现都较为复杂,其反演结果的精度和顺序函数法的反演结果精度基本相当。     

考虑约束的材料热传导系数辨识方法

材料热传导系数的辨识是一类典型的热传导逆问题。本文建立了辨识随温度变化的热传导系数的遗传算法,并通过辨识增量和引入罚函数等方法,考虑了一类典型防热材料热传导系数值随温度增加不减小的物理约束,以及一项工程应用中的约束,即温度较高时温度的仿真计算结果应高于温度实测值,建立起了考虑约束的材料热传导系数辨识方法。通过典型算例的分析计算结果表明,所建立的辨识算法是有效的,克服了原有算法在测量误差较大情况下辨识结果出现非物理振荡的不足,辨识结果也具有更强的工程实用价值。     

用灵敏度法辨识热传导系数及热流参数

利用灵敏度法对一维热传导问题中的热传导系数和热流参数进行了辨识。其中,对热传导方程和灵敏度方程的求解采用具有较高精度的有限控制体积法（ＦＣＶ）;对目标函数的优化采用牛顿－拉夫逊（Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ）算法。仿真计算的结果表明：用灵敏度法处理热传导参数和热流参数的辨识问题是可行的、有效的。     

顺序函数法求解二维非稳态热传导逆问题

基于有限控制体积法对二维非稳态热传导问题的数值模拟，导出了处理二维非稳态热传导逆问题的顺序函数法，并用该方法来对一典型的圆环域边界条件反演问题进行了反演计算，结果表明，顺序函数法是求解二维非稳态热传导逆问题的有效方法，当测量噪声比较小时，顺序函数法能得出较高精度的反演结果；当测量噪声增大时，反演结果仍能较好地再现出精确解在空间和时间方向上的变化趋势，具有一定精度。     

前向神经网络快速学习算法在发动机模型辨识中的应用

介绍一种采用前向神经网络辨识发动机非线性模型的快速学习方法,与现有同类方法相比,该方法采用矩阵的QR分解求解线性方程组,解决了维数过高的矩阵直接求逆带来的解失真问题,并把这种方法应用于航空发动机的非线性模型辨识。算例仿真验证了算法的可行性。      

利用温度测量结果反演三维热传导问题中热源项的算法研究

利用表面温度测量来反演热传导问题中的热源项是一类典型的热传导逆问题，在采用有限体积法对三维稳态热传导问题进行数值求解的基础上，将该热传导逆问题转化为优化问题，基于灵敏度分析建立了反演算法。采用该算法对一典型算例的计算结果表明：建立的算法是有效的，具有较好的抗噪性能。此外，对反演算法中计算收敛准则的选取进行了较深入的分析，结果表明，由于热传导逆问题的不适定性，优化过程中目标函数值越小并不意味着反演结果与真值更为接近，可以通过设定合适的收敛准则来模拟正则化项的作用，克服不适定性的影响。     

非线性动态逆系统在飞行控制系统应用中的几个问题研究

对非线性动态逆方法在飞行控制系统应用中的理论问题进行了研究,采用Singh算法证明了当前两种主要设计算法的等价性;并用逆系统的方法重新给出了非线性动态逆的解耦结构,这种结构的优点有利于工程上的应用和理解;在Singh算法意义下,得到了飞行控制系统设计中常用的一阶形式逆系统的定义和有关性质。     

极大似然法在飞机极曲线辨识中的应用

介绍了利用极大似然法辨识飞机极曲线的基本原理。通过仿真研究及对实测飞行试验数据的处理，表明该方法能够辨识出光滑的非线性飞机极曲线，算法具有良好的收敛性及结果的唯一性，并且可方便地推广应用于工程中其它类型的非线性曲线辨识问题。     

一种无人直升机飞行力学模型辨识方法研究

研究了一种无人直升机飞行力学模型辨识方法.将状态子空间辨识法和误差预报辨识法这两种不同机理的辨识方法相结合,用于无人直升机飞行力学模型的辨识.通过仿真计算,成功地辨识得到了悬停状态下算例无人直升机的高阶飞行力学模型.结果表明:提出的辨识方法具备状态子空间辨识法和误差预报辨识法各自的优点,不会出现经典辨识算法中寻优过程中出现的局部极小现象以及迭代带来的收敛性问题.     

基于内嵌物理机理神经网络的热传导方程的正问题及逆问题求解

建立了一种基于内嵌物理机理神经网络(PINN)的热传导方程的正问题及逆问题求解方法.该方法利用自动微分技术将一维热传导方程嵌入到深度网络的损失函数中,通过以损失函数最小为目标来优化深度网络,求解一维热传导方程以及对方程中的未知导热系数进行辨识.随后,分析了基于PINN求解正问题的收敛精度以及参数辨识的鲁棒性,并得出以下结论:在给定网络结构的情况下,基于PINN求解一维热传导方程的收敛误差在样本点数较少时主要由采样误差主导,而当样本点数较多时,收敛误差由优化误差主导;由于损失函数中包含了方程相关的正则化项,以及采用了自动微分技术,因此,基于PINN的参数辨识方法噪声标签数据具有较强的鲁棒性.     

表面热流辨识技术在边界层转捩位置测量中的应用初步研究

目前工程飞行试验中主要采用近壁热电偶测温法来确定飞行器表面流动的边界层转捩位置,由于测点离表面较近,对温度传感器量程和结构强度有较高要求。为此,提出了基于表面热流辨识技术确定转捩位置的基本思想和处理方法,测点可以距离表面相对较远。但是,当测点越远离受热面,辨识问题的不适定性会越强,因此需要采用仿真辨识方法来对传感器安装位置进行合理选取。在给出二维传热模型表面热流辨识算法的基础上,对两个算例进行了仿真辨识分析。结果表明：基于表面热流辨识技术确定转捩位置是可行的,能给出较为准确的转捩区域判断。     

小型平板回路热管蒸发器内传热与流动的三维数值模拟

针对小型平板回路热管蒸发器内的流动与传热，建立了多区域耦合的数学物理模型，并应用FLUENT软件进行了三维数值模拟。结果表明:蒸发器传热特性在不同热负荷下呈现出较大的差异，其温度分布不仅取决于热负荷，更依赖于毛细芯表面发生的两种传热机制，即毛细蒸发和热传导。相比高热负荷(Q=120W)和低热负荷(Q=40W)，中等热负荷(Q=80W)下蒸发器各个部位的温度均较低。三种不同热负荷下，毛细芯反向导热均大于侧壁漏热，补偿腔内与毛细芯相邻处易出现高温区。冷凝回流液在补偿腔内的流动形成两个涡，这种流动特点有利于降低毛细芯的温度。当热负荷与系统冷凝能力匹配时，整个系统流动与传热特性最优。      

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

容器热物性参数对蓄热系统性能影响的数值研究

建立了分析潜热蓄热系统蓄热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.其中考虑了容器壁面的导热,且相变传热只考虑导热模型,对相变材料(PCM)相变过程的求解采用解耦法计算模型.对几种不同材料容器内PCM熔化过程进行了数值计算比较,结果表明,容器材料的导热系数、比热容和密度等热物性参数对PCM的熔化有很大的影响.此外还对不同初始温度和边界壁温对PCM熔化的影响进行了数值计算.所得结论对潜热蓄热系统的热性能及其优化设计有一定的指导作用.      

考虑导热对流和辐射作用的轴对称收扩喷管壁温计算

基于N-S方程求解了包括引射流、加力燃烧室在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的流场,建立了考虑导热、对流换热和辐射换热作用的轴对称收扩喷管各层壁温分布的计算模型,包括隔热屏、喷管简体、外调节片三层结构.对某航空发动机进行了多工况计算,燃气的物性随压力、温度和油气比的变化采用了一系列精度较高的计算公式和计算方法.计算结果表明:基于密度求解器求解包含引射流在内的轴对称收扩喷管内外流一体化的跨声速流场是成功的.隔热屏和收扩喷管筒体沿流向温度逐渐升高,喷管筒体壁温在喉部达到最大,在扩张段逐渐降低;收扩喷管外调节片壁温与收扩喷管简体的壁温变化规律相同,但是壁温最大值则位于喉部前某一位置.计算结果与经过试验验证程序的结果符合良好.      

表面热流可辨识性初步分析

表面热流的可辨识性分析可用于飞行器防热层内温度测量精度和测温点位置的确定,在工程上有较强的实用意义。从无量纲分析和仿真辨识出发,根据防热层材料热物性系数、测点位置、表面热流的频域特性等参数对表面热流辨识结果的影响规律,总结出了表面热流辨识问题的相似参数：基于表面热流频率参数的傅立叶数。此后,以这一傅立叶数为判据,针对不同测量误差值的情况初步建立起了表面热流可辨识性的准则和分析方法。     

具有陶瓷涂层的火焰筒壁温和热流计算

对具有陶瓷隔热涂层的气膜冷却式火焰筒壁面温度和热流提出~种计算方法。在分别建立陶瓷涂层和金属壁面热平衡方程的基础上,给出两者之间的导热耦合关系,使计算模型更加符合实际传热过程。计算过程中始终考虑到金属壁面的轴向导热。通过算例研究了陶瓷涂层对气膜冷却式火焰筒壁面温度和热流的影响。有涂层时壁面温度低于无涂层时壁面温度,但它们的变化规律相似。燃气温度越高陶瓷涂层的隔热效果越好。     

基于TLBM-FVM耦合的飞行器舱内热环境跨尺度预测方法

舱内热环境的有效预测是优化飞行器热控与防热设计、减小系统冗余并保障飞行器热安全的重要基础。在国家数值风洞（NNW）工程支持下,针对目前舱内热环境多尺度、多机制复合传热特点及其数值预测面临的精度与效率提升难题,发展了多区域协同推进的时空耦合模型及流/固界面的自适应分辨率识别算法,建立了基于热格子Boltzmann方法（TLBM）与有限体积法（FVM）相互耦合的舱内复合传热跨尺度预测方法,开展了典型飞行器仪器舱的综合热分析,验证了耦合方法的计算精度及效率。研究表明,相关方法可实现舱内热环境的局部精细化与整体大规模的协同模拟,用于开展整体自然对流与设备局部热量传递的多尺度数值模拟,掌握不同环境参数对舱内热质传递过程的影响规律,从而为飞行器热防护/热管理一体化设计提供重要技术支撑。