航空煤油超临界湍流传热通道结构拓扑优化方法研究

Hypersonic flight vehicle technology is one of the main developing direction of the aerospace technology all over the world today. It has significant and far-reaching influence on international strategic pattern, military balance of force, economic development and the promotion of comprehensive national power. However, in the case of high Mach number, the scramjet is faced with a very serious thermal load problem, which is another problem encountered by the aircraft after the breakthrough of the sound barrier called "thermal barrier". This application in-depth analyses the hypersonic aircraft scramjet regenerative cooling problems in the field of aeronautics and astronautics. The thermal physical property parameterization of supercritical aviation kerosene RP-3 is modeled. The special phenomena of supercritical medium in multiphysics field fluid-solid coupling heat transfer is analyzed. The topological optimization method based on variable density is adopted to design the structure of flow and heat transfer channel. Therefore, a new material interpolation model is established to obtain faster convergence speed, less intermediate density unit and better penalty effect. The mathematical mechanism of sensitivity and density filtering model to reduce and eliminate checkerboard phenomenon is revealed. A new solving method coupled with intelligent algorithm and accelerate algorithm is proposed to improve the solution efficiency and robustness, and to realize the optimization design of aviation kerosene supercritical turbulent heat transfer channel structure.

高超声速飞行器技术是当今世界航空航天技术发展的一个主要方向，将对国际战略格局、军事力量对比、经济发展以及综合国力提升等方面产生重大而深远的影响。但是在高马赫数情况下，超燃冲压发动机面临着非常严峻的热载荷问题，这就是飞行器突破声障以后遇到的另一个难题称为“热障”。本申请在深入分析航空航天领域中高超声速飞行器超燃冲压发动机再生式冷却问题的基础上，完成超临界航空煤油RP-3的热物理性质参数化建模，分析超临界工质在多物理场流固耦合传热过程中的特殊现象。采用基于变密度的拓扑优化方法对流动传热通道结构进行设计。为此，建立一种新的材料插值模型，获得较快的收敛速度，较少的中间密度单元和较好的惩罚效果。揭示灵敏度和密度过滤模型对减少和消除棋盘格现象的数学机制。将智能引入加速算法，以提高求解效率和鲁棒性，实现对航空煤油超临界湍流传热通道结构的优化设计。

随着高超声速飞行器的飞行马赫数越来越高，超燃冲压发动机所面临热的问题也越来越严峻。以航空煤油作为再生式冷却工质的换热通道结构优化设计是解决超临界湍流传热恶化的有效手段。同时，换热通道的设计还要满足流动、传热、结构等多方面的要求，属于多场耦合传热的多目标优化问题。本项目以发动机冷却通道的结构优化为背景，研究拓扑优化方法的实用和改进模型。本项目首先以亚临界、跨临界、超临界航空煤油RP-3为研究对象，准确进行航空煤油的化学成分试验分析，提出合适的多组分模型，建立热物性的参数化模型。其次以超燃冲压发动机的冷却过程为研究对象，建立用于计算超临界压力航空煤油流动和传热过程的数值计算模型。加入热物性的变化模型，考虑浮升力和热加速对流动和传热特性的影响。分析超临界压力下流动状态出现的新型式和新特点，探讨传热强化和传热恶化的形成机理。之后分析多种拓扑优化方法，针对现有模型优化存在的求解效率低、惩罚效果不佳等问题，构建了多种约束条件下流动传热综合性能最大化的数学模型。从拓扑优化问题的一般格式出发，研究并推导多物理耦合场拓扑优化的建模和求解算法，通过优化冷却通道结构分析得出惩罚因子、临界因子、移动步长、体积分数及阻尼因子对拓扑优化结果的影响。最后对超临界航空煤油为工质的超燃冲压发动机再生式冷却通道结构模型进行优化设计。面对实际问题多场的影响、流动传热的特殊性、复杂的约束、以及工质材料物性的非线性激变，将神经网络算法引入到拓扑优化求解中，提出一种基于神经网络的拓扑优化求解算法，以期获得较高求解效率及较为稳定的收敛结果。并将这一算法应用于上述背景问题的优化设计，验证了算法的有效性。下一步将拓扑优化方法推广到其他多物理及多学科问题的求解当中，使得拓扑优化方法具有更好的工程实践性，为解决更复杂的实际问题提供指导意义。