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变几何域下的气动热参数辨识问题研究

邵元培  
【摘要】:热传导逆问题在航空航天、金属冶炼、精密仪器制造、核工程等工业领域中有着广泛的应用背景,如模型表面热环境、材料的热物性参数、边界层转捩位置的确定、两层传热材料之间的接触热阻等,是传热学研究的热点之一,越来越多的机构和人员加入到热参数辨识的研究中,但到目前为止,针对热参数辨识研究开展的工作主要是针对稳态几何域模型,针对变几何域模型开展的研究工作很少。本文针对航空航天领域中的热传导逆问题——气动热参数辨识问题开展研究,为了提高热参数辨识的适用性,本文对稳态几何域下的辨识算法进行拓展,给出了变几何域下的表面热流辨识算法和几何外形辨识算法,并进行了仿真验证,之后针对有烧蚀碳化情况下的表面热流辨识问题开展了初步研究。 在绪论中,主要介绍了变几何域热参数辨识的研究背景和研究现状,以及在现代飞行器设计与验证中占有的重要地位。稳定可靠的防热系统是新型高超声速飞行器研发的基石,气动热参数辨识是高速飞行器气动热环境分析评估、防热系统精细设计的重要手段。 在第二章中,针对变几何域下热传导正问题的求解,对本文中所采用的数值计算方法,有限控制体积法和有限元法,进行了较详细的说明,并通过与有解析解的变几何域传热问题进行对比,对数值算法的准确性进行了验证。 在第三章中,对常用的气动热参数辨识进行了介绍,给出了已知材料热物性参数、边界变化过程情况下的一维、二维变几何域表面热流辨识算法,通过仿真算例,对辨识算法的有效性与稳定性进行了验证,并对影响辨识结果的几种因素进行了分析。 在第四章中,针对几何域辨识开展研究,给出了已知材料热物性参数、外部热环境情况下的一维、二维变几何域外形辨识算法,通过仿真算例,对辨识算法的有效性与稳定性进行了验证。 在第五章中,针对有烧蚀情况出现的表面热流辨识开展研究,给出了对应的表面热流辨识算法。文中采用热解面模型,这是目前采用较多的一种模型,在表面碳化层和原始材料之间有一层热解面,热解面温度为给定值,材料热解仅在热解面上发生。 最后,对本文开展的研究工作作了小结,指出存在的不足和今后的研究方向。


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