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。     

表面热流辨识结果的误差分析与估计

对于工程上的表面热流辨识问题,通常希望能够根据测量精度对辨识结果误差进行快速估计,用以优化测试方案。本文首先对给定单一频率的热流辨识误差进行定量分析,建立了辨识误差与热流频率和测量精度之间的响应面模型。然后对多个给定频率组合情况下的辨识误差规律进行分析,结果显示,频率组合热流中的低频分量能在辨识结果得到较好地复现,高频分量是导致辨识结果出现误差的主要原因。因此,辨识结果精度可以通过最高频率热流分量的辨识误差与测量精度之间的对应关系来进行大致估计。基于这一认识,本文利用时域不同频率组合的热流分量在频域可解耦的性质,通过Parseval定理得出高频分量的能量占比,建立了频率组合热流的辨识误差估计方法,并通过算例进行了验证。     

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。     

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。     

基于神经网络的表面热流辨识三维效应修正

在已有顺序函数法对一维、二维表面热流辨识的研究基础上,考虑到三维辨识实时性的困难,提出神经网络和顺序函数法结合的方法。在顺序函数法一维辨识结果的基础上,利用人工神经网络对热传导三维效应进行修正,从而获得峰值热流实时准确的辨识结果。为了获得更优的神经网络模型,引入粒子群算法优化神经网络的初始权值和阈值。通过数值仿真的算例测试结果可以看出,本文提出的方法对于峰值热流的辨识结果准确度在4%以内,避免了三维辨识的时间复杂性,同时具有良好的抗噪性和稳定性。     

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。     

飞机结冰在线辨识方法研究

开展飞机结冰气动特性在线辨识研究,不仅可以用于分析结冰对飞机气动特性的影响,而且对于飞机结冰在线识别具有重要的意义。近年来卡尔曼滤波和 H ∞算法在飞机结冰在线辨识中应用较多,二者均具有可靠性高、收敛快等特点,但对于噪声环境下算法的可靠性和精度评估还不够充分。本文针对飞机结冰在线辨识需求,探讨了扩展卡尔曼滤波和 H ∞算法作为结冰在线辨识算法的应用。首先通过 NASA 双水獭结冰研究飞机算例,利用扩展卡尔曼滤波和 H ∞算法,辨识双水獭飞机结冰后的俯仰方向导数,通过考虑阵风扰动和测量噪声后的仿真数据快速估计该飞机俯仰方向上的三个稳定和控制导数,并将辨识结果与参考值对比,发现两种算法均能在2s 之内快速收敛到参考值附近,且滤波得到的状态量与仿真数据吻合较好,说明算法可靠性高且收敛快,具备飞机结冰在线探测的能力。在此基础上利用不同测量噪声统计特性的仿真数据,评估测量噪声对两种算法辨识精度的影响,经分析发现随着测量噪声标准差取值增大,扩展卡尔曼滤波辨识结果精度明显降低,而 H ∞算法的辨识精度变化较小,说明扩展卡尔曼滤波辨识精度依赖于噪声先验信息的准确性,而 H ∞算法不依赖于噪声先验信息,即使数据质量较差,H ∞算法也能得到精度相当的辨识结果。     

单载机相位差无源定位系统可观测性分析(英文)

With a pair of antennas spaced apart, an airborne passive location system measures phase differences of emitting signals. Regarded as cyclic ambiguities, the moduli of the measurements traditionally are resolved by adding more antenna elements. This paper models the cyclic ambiguity as a component of the system state, of which the observability is analyzed and compared to that of the bear- ings-only passive location system. It is shown that the necessary and sufficient observability condition for the bearings-only passive location system is only the necessary observability condition for the passive location system with phase difference measurements, and that when the system state is observable, the cyclic ambiguities can be estimated by accumulating the phase difference measurements, thereby making the observer able to locate the emitter with high-precision.     

传感器表面温度对热流测量的影响

高超声速飞行器热环境测量数据一直是防热设计和考核的基准数据,也是热环境计算方法的考核性数据,其准确性至关重要。针对热流测量中遇到的传感器表面和周边防热材料温度差异而导致的测量数据偏差问题,采用基于Navier-Stokes方程的自研程序开展了详细的气动热环境数值模拟,得到了不同温差条件下传感器表面热环境的分布规律,并根据场协同理论分析了局部热流变化的成因机理,研究了影响热流变化幅值的主要因素。结果表明：①当传感器和其周边材料的温度存在一定的差异时,导致该区域近壁面流场中的压力、密度等特征量梯度增大,改变了传感器当地的法向速度和温度分布,造成了局部热流的剧烈变化。②相同来流马赫数和高度下,来流攻角主要影响法向速度的分布,从而影响气动加热量,攻角越大,相同温差下加热量上升的幅度越小;来流总温主要影响法向温度梯度的分布,从而影响气动加热量,来流总温越大在相同温差条件下加热量上升幅度越小。所开展的研究工作可加深对传感器局部热环境分布规律的认识,避免对测量热流的误判,提升数据判断和分析的可靠性。     

Experiment of heat transfer in oscillating turbulent flow in a pipe with constant heat flux

Heat transfer characteristics of oscillating turbulent air flow in a pipe heated with constant heat flux were experimentally investigated.The experiments were performed over a range of 245.7 to 902 of the kinetic Reynolds number and 25 to 175 of the dimensionless oscillation amplitude.The effects of these two dimensionless parameters were analyzed.The results show that the cycle-averaged local Nusselt number increases with both the kinetic Reynolds number and the dimensionless oscillation amplitude.The space-cycle averaged Nusselt number also effectively increases with the kinetic Reynolds number and the dimensionless oscillation amplitude.Based on the experimental data,a correlation equation of the space-cycle averaged Nusselt number for air in terms of these two dimensionless parameters has been obtained.      

高超声速气动热辨识技术实验研究

为估计高超声速飞行中的气动热流,采用热流辨识技术研究了平板表面的气动热流。首先采用仿真数据对辨识方法进行验证,结果表明,在测量噪声较低时热流辨识结果误差较小。此后,开展了平板的高超声速气动热风洞实验,通过内埋热电偶测量平板内部温度,采用热流辨识法获得平板表面的气动热流,采用辅助测点对比验证了内埋测点辨识结果的可信度。最后将辨识结果与平板边界层热流理论估算结果进行对比,分析了两者产生误差的原因。本文的研究为热流辨识技术的实际应用奠定了基础。     

底部封闭竖直细管内纳米流体的沸腾特性和临界热通量

以水-氧化铜纳米颗粒组成的纳米流体为工质, 对底部封闭细小圆管内的沸腾特性以及临界热通量进行了实验研究.结果表明:沸腾时管内纳米流体的浓度不随加热时间长短而改变, 沸腾液体的纳米颗粒除微量吸附在管壁外, 其余全部被蒸汽携带走, 同时吸附层厚度到了一定程度就不再变化.相对于纯水而言, 随着纳米浓度的增加, 纳米流体的沸腾特性有所劣化, 这主要是因为纳米颗粒吸附在管壁上, 减小了壁面粗糙度, 从而减小了液体和壁面的接触角.随着纳米浓度的增加, 纳米流体的临界热通量也随之增加.纳米流体的临界热通量不仅与管长与管径比有关, 而且还与纳米浓度有关.      

偏转翼前缘热流分布特征

对于偏转翼,其迎风角和偏转角直接影响到前缘弧面上热流最高点的分布位置。运用球面三角学原理并基于后掠圆柱热流计算公式推导偏转翼的迎风角、偏转角和离心角（前缘弧面上偏离前缘中心线的角）之间的关系。在确定迎风角和偏转角的条件下,应用该式可以直接确定前缘弧面上最大热流的分布位置,该结果与实验及工程计算结果基本一致,可以基本满足工程使用要求。最后分析前缘上最大热流位置随迎风角及偏转角的变化规律。     

热流环境下薄壁结构随机振动响应计算与疲劳分析

针对高速热流环境下薄壁结构随机振动应力响应变化规律与疲劳失效问题,进行了数值仿真计算与高温随机振动试验。通过对比仿真计算结果与试验结果发现模态误差小于28%,应力响应误差小于4%。结构疲劳失效时间误差小于3 430 s,验证了此仿真方法的可用性与准确性。使用该数值仿真方法,基于耦合的FEM/BEM（有限元/边界元）理论,通过Fluent软件模拟高速热流环境,实现了高速热流环境下薄壁结构随机振动应力响应的计算。获取了薄壁结构在不同振动量级与热流环境影响下动力学响应与疲劳失效时间。分析不同环境温度各流速下结构热随机振动应力响应及疲劳失效时间变化规律,并阐述造成这种变化的原因。完成的工作可对高速热流环境下薄壁结构热随机振动疲劳失效时间预估提供参考依据。