[发明专利]一种层板结构外壁温度的计算方法

说明书

一种层板结构外壁温度的计算方法，涉及层板冷却结构技术领域，解决了现有技术存在计算量大，重复性流程多，并且涉及诸多软件，人工操作繁琐，进而导致整体设计效率低等问题，该方法通过外表面第三类边界条件预测模块、内表面换热系数预测模块以及固体导热计算模块实现；本发明通过预测给定工况下给定层板结构的外壁等效换热平板模型内外第三类边界条件结合简单的固体导热计算即可得到外壁温度分布，用以预测的人工神经网络均在事先训练完毕，使用时直接调用即可，固体导热计算本身也非常快速。因此本发明相比于现有技术可以大幅节约计算时间和计算量，具有明显更高的计算效率。

技术领域

本发明涉及一种层板结构外壁温度的计算方法。

背景技术

层板冷却兼具流冷却、冲击冷却和气膜冷却三种方式，具有强大的换热能力，同时因为其丰富的孔隙而拥有较大的换热面积，是一种典型的半发汗式冷却结构。目前层板冷却已经逐渐成为了解决航空发动机高温部件冷却问题的主要手段之一，例如燃烧室的冷却、涡轮叶片的冷却等。典型的层板冷却方式是冷气从内壁侧冲击孔进入，流经层间扰流柱，再从外壁气膜孔流出汇入高温主流，并在外壁面形成一层气膜保护。为了进行层板冷却设计，就需要获得不同工况下不同层板结构的温度。

现有技术是基于三维建模软件(如UG、SolidWorks等)对层板结构进行建模，然后通过网格划分软件(如ANSYS ICEM等)对模型进行离散分网，最后再利用三维仿真软件(如ANSYS FLUENT、CFX等)对网格模型进行数值仿真求解，从而得到层板结构的温度。但层板结构综合了两层固体壁和一层夹腔以及孔和柱，本身结构复杂，同时层间流动复杂，为得到准确的数值仿真结果就需要网格足够致密并且质量足够好。再有，对于层板冷却设计来说，结构的修改非常频繁，故而每次都需要从头开始建模、分网、仿真，大量重复上述流程。总结来说，现有的这种技术存在的主要问题在于计算量大，重复性流程多，并且涉及诸多软件，人工操作繁琐，进而导致整体设计效率低下。

因此，如何根据每次设计中不同的主流和冷气工况条件，结合层板结构流动换热机理，建立一种针对层板结构的温度快速计算方法，避免复杂耗时的三维数值仿真，从而提高层板冷却设计效率，是一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明为解决现有技术存在计算量大，重复性流程多，并且涉及诸多软件，人工操作繁琐，进而导致整体设计效率低等问题，提供一种层板结构外壁温度的计算方法。

一种层板结构外壁温度的计算方法，该方法通过外表面第三类边界条件预测模块、内表面换热系数预测模块以及固体导热计算模块实现；具体过程如下：

步骤一、根据输入主流冷气工况条件及层板结构参数建立外壁等效换热平板模型；通过所述外壁等效换热平板模型将层板外壁外表面作为气膜孔场景，将层板内部所有的换热折算为外壁内表面直接与冷气之间的等效换热，并提取层板结构参数作为后续外表面第三类边界条件预测模块和内表面换热系数预测模块的输入参数；

步骤二、在所述外表面第三类边界条件预测模块中建立层板外壁外表面第三类边界条件人工神经网络预测模型，将步骤一提取的层板结构参数、主流冷气工况条件以及层板外壁外表面各坐标点作为神经网络预测模型的输入，将所述层板外表面各点换热系数和绝热温度作为神经网络模型的输出，获得不同工况下不同层板结构的外壁外表面第三类边界条件的预测；

步骤三、通过内表面换热系数预测模块建立层板外壁内表面换热系数人工神经网络预测模型；并将步骤一的外壁等效换热平板模型提取的层板结构参数和主流冷气工况条件作为神经网络预测模型的输入，以内表面换热系数作为输出，实现不同工况下不同层板结构的外壁内表面换热系数的预测；

步骤四、采用固体导热计算模块进行固体导热计算；

根据步骤二预测的外壁外表面第三类边界条件和步骤三预测的外壁内表面换热系数，进行等效换热平板模型网格划分，并将外表面第三类边界条件和内表面换热系数赋值到表面网格各点，并通过固体导热计算模块迭代计算获得层板外壁温度。