非线性热传导逆问题的表面热流辨识方法

当材料的热物性参数随温度变化时,其内部的热传导方程是一非线性偏微分方程,对应的热传导逆问题称为非线性热传导逆问题。本文建立了非线性热传导逆问题的两种表面热流辨识方法:顺序函数法和共轭梯度法,介绍了这两种辨识方法的基本思想和具体算法推导,并针对典型算例进行了仿真辨识,结果表明:两种辨识方法虽然在算法构造、计算效率方面存在一定的差异,但都能给出较好的辨识结果,并且算法受测量噪声的影响较小,具有较好的鲁棒性。     

功能梯度材料热传导的统计多尺度边界元分析

功能梯度材料是物理性能连续变化的非均匀复合材料,其结构特点消除了材料内部严重的热应力界面,在航空、航天及核反应堆等工程领域具有广阔的应用前景。针对功能梯度材料的稳态热传导问题,给出一种基于边界元模型的统计多尺度分析方法,并针对典型问题进行数值模拟。首先,在功能梯度材料微结构随机分布且体积分数随着位置变化的表征基础上,建立等效热传导系数的多尺度边界元分析模型;然后,给出统计意义下的数值计算方法;最后,研究颗粒随机分布功能梯度材料的热传导性能,并通过与实验结果对比对算法进行验证。结果表明:统计多尺度边界元方法对于预测功能梯度材料的热传导性能是有效的。     

功能梯度材料热传导的多尺度边界元分析

功能梯度材料是物理性能连续变化的非均匀复合材料,其结构特点消除了材料内部严重的热应力界面,在航空、航天及核反应堆等工程领域具有广阔的应用前景。针对功能梯度材料的稳态热传导问题,给出一种基于边界元模型的统计多尺度分析方法,并针对典型问题进行数值模拟。首先,在功能梯度材料微结构随机分布且体积分数随着位置变化的表征基础上,建立等效热传导系数的多尺度边界元分析模型;然后,给出统计意义下的数值计算方法;最后,研究颗粒随机分布功能梯度材料的热传导性能,并通过与实验结果对比对算法进行验证。结果表明:统计多尺度边界元方法对于预测功能梯度材料的热传导性能是有效的。     

基于热传导反问题结构表面温度辨识

结构表面温度是飞机热试验的重要参数。将热传导反问题技术引入飞行试验辨识结构表面温度,建立了飞机薄壁结构换热模型,提出了温度辨识算法,并进行了飞行实测验证。结果表明,该方法具有一定的工程应用价值。     

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。     

热结构动力优化设计

 考虑温度沿飞行器表面的分布及材料物性系数随温度的变化,按Ｋｕｈｎ－Ｔｕｃｋｅｒ条件建立迭代式,研究具有频率约束、振型节点约束以及变量上、下限约束的热结构动力优化设计。算例讨论了前３阶固有特性及最小目标随温度场的变化规律,证实本方法有效、可行。     

喉衬传热的差分近似计算

固体火箭发动机喷管喉衬传热计算要求确定燃气传给喷管壁的热流量井计算喉衬壁中的热传导。对碳基喉衬,不考虑其微量烧蚀及附面层内化学反应效应时,对流换热系数常用巴兹快速估算公式;轴对称喉衬壁中温度分布及其随时间的变化,可以采用把喉衬划分为相互之间热传递忽略不计的众多空心圆管的方法、求解壁中的瞬态热传导。方程的定解条件是初始温度分布、喉衬内外表面的对流换热及不同料层的界面接触方程。 本文给出了求取数值解的显式差分方法及其程序框图。计算结果同地面试车状态下温度测量相当接近,能为工程计算接受。本法尚可用于热物性随温度变化的情况,只是稍微作些补充运算;对单室双推力发动机也同样适用。     

MF-1飞行试验表面热流辨识

利用物体内部测点温度辨识表面热流,是一典型热传导逆问题。利用一维表面热流辨识方法处理分析MF-1航天模型飞行试验的温度测量数据,获得了表面热流数据。辨识结果结合数值模拟预测结果可以有效地判断边界层流态变化(再层流化、转捩)发生的区域,达到了预期目标。一维辨识方法模型过于简单有其局限性,比如一维方法没有考虑到测温结构与飞行器壳体之间的横向传热,辨识结果中出现了不合理的负热流,精度不足以支持深入定量对比分析。为了克服这一缺陷,提高辨识精度,采用三维传热模型来分析处理温度测量数据、辨识表面热流,由此得到的辨识结果比一维辨识结果更加合理。在三维传热模型的表面热流辨识计算中,还考虑了接触热阻对测温部件表面温度辨识结果的影响,并通过模拟计算给出了他们的影响规律。通过这一系列分析可以看到,飞行试验中测温部件传热较为复杂,而基于精细传热模型的表面热流辨识方法可以有效获得精度较高的辨识结果。同时这也预示了这一方法在航天飞行试验中应用的潜力。     

涂层材料瞬态传热实验与导热系数辨识

针对涂层-基体一体化的双层结构,为测试评估其中涂层材料的导热性能,提出基于瞬态平面热源法（transient plane source, TPS）的涂层材料导热系数反演辨识方法。根据Hot-Disk实验测试原理,建立基体-涂层-探头整体的二维非稳态传热模型;结合测量过程中的瞬时温升数据信息,采用粒子群优化算法反演辨识获得涂层材料的导热系数;并通过实验和数值模拟论证了上述方法的可靠性。结果表明：该测量方法能够有效获得涂层导热系数,测试反演的数值偏差小于4.0%。最后,实际测量和反演辨识获得了一种涂层材料常温至773 K的导热系数,随温度提高呈现增大趋势,数值范围为0.18～0.29 W/(m·K)。     

高硅氧/酚醛喷管扩张段的温度场计算与测定

本文通过圆柱座标系径向瞬时热传导偏微分方程,对喷管硅基内衬扩张段进行了温度分布数值计算.喷管结构是以石墨为喉衬,高硅氧/酚醛为收敛段、扩张段内衬,并为喉部背衬;壳体是钢.计算中考虑材料烧蚀时形成炭化层、热解层、原始材料层等多层结构,以及烧蚀边界的退移和材料物性随温度的变化.通过座标变换,将移动边界问题转化为定边界问题,计算结果与实验结果吻合良好.     

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。     

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。     

考虑烧蚀情况下的表面热流辨识

针对烧蚀传热问题,在热解面模型的基础上通过伴随方程推导建立了基于测点温度辨识表面热流的方法,并进行了算例考核。结果表明:热流辨识结果与真值符合较好,辨识结果与真值之间的偏差随测量误差的增加而增加;烧蚀后退量测量结果的误差对辨识结果有较为显著的影响。然后,将该辨识方法用于钝头型碳酚醛材料Narmco4028试件在陶瓷加热风洞中的烧蚀试验结果分析,结果表明辨识出的表面热流与加热功率基本符合,辨识方法是有效的,在工程实际中有较好的应用前景。     

三维五向编织复合材料导热性能的有限元分析

根据三维五向编织复合材料的细观结构模型,分别假设编织纱线和轴纱具有六边形和正方形横截面,建立了计算三维五向编织复合材料导热性能的有限元模型.采用有限元方法,设定合理的边界条件,计算了三维五向编织复合材料的横向和纵向热传导系数,并与三维四向编织复合材料的热传导系数进行了比较,分析了编织角和纤维体积含量对热传导系数的影响规律.此外,还确定了材料内部的温度、热梯度及热流量的分布,为材料热力耦合问题的分析奠定了基础.      

三维编织复合材料宏细观多尺度传热分析

近年来三维编织复合材料在航空、航天等领域得到了广泛应用,而热传导性能是其重要的物理性能之一。根据三维四向编织复合材料细观单胞模型,建立其热传导性能的宏细观多尺度模型,包括等效热传导系数的均匀化模型和温度场分布的多尺度模型;基于宏细观多尺度有限元算法,计算三维四向编织复合材料的等效热传导系数,并与实验结果进行对比;在此基础上,研究编织角和纤维体积含量对热传导系数的影响规律,并确定材料内部的温度场分布。结果表明:等效热传导系数与实验值吻合较好,细观单胞模型能较为真实地反映三维四向编织复合材料的结构构形,宏细观多尺度方法能有效预测三维编织复合材料的热传导性能,并且能有效捕捉材料内部的局部振荡效应。     

三维编织复合材料热物理性能的有限元分析

根据三维编织复合材料的细观结构,分别建立了三维四向和五向编织复合材料热物理性能的有限元模型.采用周期性的非绝热温度边界条件和位移边界条件,计算了三维四向和五向编织复合材料的整体等效热传导系数和热膨胀系数,计算结果同已有文献相比与实验值符合得更好.在此基础上,迸一步研究了编织角、纤维体积分数、编织结构等参数对材料热物理性...     

稳态热传导下基于多相材料的一体化设计

提出一种基于多相多孔材料的一体化模型。模型以结构散热弱度最小为目标,以结构体积比与材料微结构质量为约束。引入独立的宏观设计变量和微观相设计变量,通过单元相密度建立两类变量间的联系;基于对等混合材料插值模型建立单元相密度与热传导系数间的惩罚关系;推导得到目标函数灵敏度表达式。求解偏微分方程实现单元散热弱度过滤,消除棋盘格及网格依赖性现象。通过二维数值算例讨论并分析了材料特性、热载荷、体积比约束以及质量约束对一体化优化结果的影响。数值实验结果表明,该建模方法在多相材料/结构一体化稳态热传导优化设计中具有可行性和有效性。     

喷管碳基喉衬的烧蚀

一、计算方法和结果 喷管材料的烧蚀主要是热和化学作用的结果。热量来自碳与燃气中的氧化元素之间的异相化学反应,以及对流和幅射传热。本文中的解析模型用来预测喷管温度分布及烧蚀率。在处理联结核心流及喷管壁面的边界层流动时,把传热传质数值作为壁内导热计算的输入数据。边界层的边界条件是由一维无粘定常流的解来确定的。在材料响应的分析中介入了幅射边界条件,在UTC数据上引入了一个有效辐射系数。用有限元计算方法求解瞬态热传导方程来确定喷管壁内温度分布随时间的变化关系。     

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。     

考虑瞬态效应的周期性多材料传热结构拓扑优化

常规传热结构的周期性拓扑优化通常基于稳态热传导模型,并未考虑瞬态效应对设计结果的影响。针对瞬态热传导目标响应最大值最小化问题,搭建基于Ordered-RAMP法的多材料插值模型,提出一种周期性多材料瞬态热传导拓扑优化设计方法。该方法分别以时间历程内传热结构最高温度最小化与最高散热耗能最小化为设计目标,引入聚合函数处理设计变量的瞬态响应不可微问题,并通过重新分配单元目标函数基值实现子区域周期性约束设置。数值算例验证了所提方法的有效性和可行性。结果表明：不同热负荷工作时间下,均可得到材料分布合理、边界清晰的周期性拓扑构型,并能实现不同设计目标下的性能最优;周期性约束会对拓扑构型产生影响,且子区域数目越多优化目标越差。