高超聲速飛行器防熱結構內部溫度場的重建方法研究

《高超聲速飛行器防熱結構內部溫度場的重建方法研究》是依託中國空氣動力研究與發展中心，由石友安擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高超聲速飛行器防熱結構內部溫度場的重建方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：石友安
• 依託單位：中國空氣動力研究與發展中心

項目摘要

結構熱防護是決定高超聲速飛行器性能和安全的關鍵技術之一。結構內部非均勻溫度的探測對防熱系統高效設計、飛行狀態監測與性能評估以及結構地面熱安全考核等都具有十分重要的作用。然而，國內在防熱結構內部非均勻溫度場精細探測研究方面尚處於開始階段。本項目針對結構內部溫度場探測的研究局限性和發展需求，以建立一種新型的非均勻溫度場重建方法為目標，開展超音波傳播信號與溫度的相關性研究，揭示其測溫的感知機理；建立基於超音波傳播特性的熱傳導反問題分析模型與方法，表征穩態/瞬態邊界、路徑彎曲效應和介質非均勻特性等影響因素對測溫精度的敏感性；探索研究超音波傳播信號精確捕捉的試驗方法，並通過原理性實驗驗證重建方法的有效性。研究成果將為新型超音波溫度測量技術的發展、結構內部非均勻溫度場的預測和評估以及探索研究結構內部參數提供有效的方法、手段及分析平台。

結題摘要

結構內部非均勻溫度的探測對防熱系統高效設計、飛行狀態監測與性能評估以及結構地面熱安全考核等都具有十分重要的作用。然而，國內在防熱結構內部非均勻溫度場精細探測研究方面尚處於開始階段。本項目針對內部溫度的無損探測需求，採用理論分析、數值模擬和實驗驗證結合的方式，分別從“可感知（數理模型）”、“可重建（溫度場重建方法）”和“可實測（原理驗證）”三個方面開展基於超音波探測的測溫方法研究，為探索發展結構內部溫度分布的超音波探測技術奠定基礎。 本文從熱/聲耦合模型、計算方法以及耦合特性三個方面對結構內部溫度超聲測量的正問題進行了系統分析，在此基礎上，對比了聲時和聲衰減的溫度相關性，建立了超聲測溫的時移模型。該模型刻畫了超音波傳播路徑上溫度分布的累積量，實現了超音波對結構內部溫度的無損感知。 從求解熱/聲耦合反問題角度，本文基於聲波的傳播特性建立了基於熱邊界反演的溫度場重建模型。基於此模型，套用參數辨識中的靈敏度法和共軛梯度法，發展了一維基於穩態/瞬態邊界反演的溫度場重建方法，同時，從射線聲學角度建立了二維聲傳播路徑預測方法，進一步發展了基於傳播路徑預測和瞬態熱邊界反演的二維結構內部瞬態溫度場的重建算法。 在此基礎上，從無量綱和頻域分析角度，通過頻譜特性分析，探索了熱流的幅值、試件的厚度、加熱時長、聲時的誤差、超聲探頭布置方式等因素的影響規律。最後，總結了影響溫度場重建質量的三個重要參數：傅立葉數、信噪比和約束度。數值實驗對比表明，本文所建算法精度高、抗噪性強、適用性好，為實現溫度場的高解析度再現奠定堅實基礎。 自主設計並構建了超聲測溫原理性實驗台，發展了基於相位的聲時整零分測方法，同時針對鋼、鋁、鈦三種典型材料，進一步開展波速與溫度的關係標定，以及穩態/瞬態溫度場超音波探測的原理性實驗驗證，實現了國內超聲探測固體內部溫度分布的重要突破，相關研究為促進超聲固體測溫技術的發展奠定重要基礎。