205 / 2019-08-28 17:44:00

考虑热流不确定性的瞬态热传导分析方法

热防护系统，热流不确定性，随机过程级数展开，代理模型，热可靠性

计算流体力学、多场耦合、生物力学、动力学等 > 计算流体力学

热防护系统是高超声速飞行器重要子系统之一。因制造误差、材料分散性以及气动热不确定性等因素，热防护系统的热响应具有较强的随机性，给热防护系统的工程设计和可靠性评估带来巨大的挑战。为提高不确定系统的分析效率，以响应面方法为代表的代理模型在概率热传导中得到广泛的应用，很好地分析了材料属性、几何厚度等以随机数表示的不确定性的影响。然而，气动热不确定性在时间历程上是一个随机过程，很难通过传统的基于随机变量的方法构建代理模型，成为热防护系统概率设计分析中亟待解决的问题之一。
本文采用随机过程的级数分解方法将随机热流用少数几个随机变量描述，对该表征方法的精度和效率进行分析。将描述热流不确定性的随机变量与热防护系统的材料属性、几何厚度等不确定性一并作为输入，构建了基于多项式响应面和Kriging插值的代理模型用于瞬态热传导分析，并对代理模型的精度和效率进行验证。结果表明，在考虑23个随机变量的情况下，仅使用300个训练样本得到的代理模型的预测误差可控制在1%以内，极大提高了概率分析的效率。
以典型的陶瓷基复合材料盖板式热防护系统为例，在考虑不同程度的热流不确定性情况下对系统进行概率热传导分析。结果表明，热流的随机性加剧了系统热响应的分散性，进而对系统的热可靠性产生较大的影响。文中同时分析了系统热响应对各类不确定参数的灵敏度，为系统设计和可靠性提升提供了参考。