面向高超声速飞行器热防护系统的复杂结构多维瞬态非线性热传导问题多宗量反演

The development of a hypersonic vehicle is a basic research for the national strategic demands. How to efficiently and accurately estimate the aerodynamic heat of the thermal protection system (TPS) of the hypersonic vehicle, and how to precisely determine multiple temperature-dependent thermophysical properties of new thermal insulation materials, are challenging key issues in the optimal design of the TPS. This project is to solve the above problems by adopting new methods to overcome obstacles in accuracy, efficiency and stability, based on a new perspective of the inverse analysis. Research ideas are as follows: A boundary element method will be developed to efficiently and accurately solve the multidimensional transient nonlinear heat conduction problem in complex structures, which will provide an algorithm basis for the inverse problem; The complex-variable-differentiation method (CVDM) will be adopted to precisely calculate the sensitivity coefficients matrix, and the least-squares method will be developed to accurately solve the inverse problem. Innovatively, the least-squares method based on CVDM will be recalled to optimize the relaxation factor, and the Kalman filter method is to be applied to deal with measurement data to improve the convergence stability and the efficiency of the inversion; The measurement validation and the practical application will be carried out, and the efficiency, the accuracy as well as the stability will be analyzed. The motivation is to provide the important basis for the optimal design of the TPS of a hypersonic vehicle, and to promote the research development of theories and evaluation methods for transient nonlinear inverse heat conduction problems, through solving key issues.

高超声速飞行器是面向国家重大战略需求的基础研究之一，如何高效高精度预测其热防护系统外表面的气动热，以及如何准确确定新型隔热材料随温度变化的多个热物性参数，是高超声速飞行器热防护系统优化设计中的关键问题与难点。本项目从反分析视角出发，通过采用新方法，克服计算中制约精度、效率与稳定性方面的障碍，有效解决上述关键问题。研究思路是：建立复杂结构多维瞬态非线性热传导问题的高效高精度边界元法，为反问题提供算法基础；采用复变量求导法准确计算灵敏度矩阵，构建最小二乘法对反问题进行准确求解；通过二次调用基于复变量求导法的最小二乘法，对松弛因子进行优化，采用卡尔曼滤波算法对试验数据进行处理，提高反演的收敛稳定性与效率；开展试验验证与应用研究，分析算法的效率、精度与稳定性。旨在为高超声速飞行器热防护系统的优化设计提供重要依据，通过解决其中的关键科学问题，促进多维瞬态非线性热传导反问题理论与优化方法的研究进展。

高超声速飞行器是面向国家重大战略需求的基础研究之一，如何高效高精度预测其热防护系统外表面的气动热，以及如何准确确定新型隔热材料随温度变化的多个热物性参数，是热防护系统优化设计中的关键问题与难点。本项目从反分析视角出发，通过采用新方法，克服计算中制约精度、效率与稳定性方面的障碍，有效解决上述关键问题。旨在为高超飞行器热防护系统的优化设计提供重要依据，促进热传导反问题理论与优化方法的研究进展。为了高效高精度预测高超声速飞行器热防护系统的气动热，以及准确确定新型隔热材料随温度变化的多个热物性参数，需要研究复杂结构多维瞬态非线性热传导问题的高效高精度求解算法，以及反问题的高效高精度求解算法。围绕本项目研究主题，主要创新工作如下：提出了两种新算法，多边形边界元法和单元微分法，对热传导问题进行求解；在反问题求解算法方面，提出了一种新方法来确定Levenberg-Marquardt（LM）算法中的阻尼因子，对最小二乘法中的松弛因子进行优化，进而构建了基于复变量求导法的最小二乘法、共轭梯度法和LM算法，比较了三种算法在辨识热防护系统材料随温度变化热物性方面的精度、效率、稳定性与鲁棒性（考虑了随机测量误差影响并对测量数据进行处理）。考虑到精度、效率、收敛稳定性与鲁棒性要求，依托本项目，构建了基于有限元法商用软件和复变量求导法的反演算法。本项目已发表标注基金号国际期刊论文18篇，SCI、EI双检索论文18篇（项目负责人为第一/通讯作者的有13篇），此外，项目负责人作为通讯作者还被录用EI源期刊论文2篇，申请发明专利1项，登记软件著作权1项，项目第二参加人和项目负责人承办国际会议1次，项目负责人进行国际会议口头报告5次，参加中国工程热物理等相关国内学术会议4次，担任国际会议ACFD11副主席和4个国际会议的分会主席，赴美国公派出国访问一年，培养硕士研究生5人，博士研究生2人，协助指导博士生1人。依托本项目及其研究成果，项目负责人顺利晋升教授职称。