(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111619114.0 (22)申请日 2021.12.27 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 邱璐　李地科　陶智　朱剑琴　 王燕嘉　姚广宇　 (74)专利代理 机构 北京挺立专利事务所(普通 合伙) 11265 代理人 彭豆 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06F 30/12(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种层板结构外壁温度的计算方法 (57)摘要 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。 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 CN 114357876 A 2022.04.15 CN 114357876 A 1.一种层板结构外壁温度的计算方法， 其特征是： 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。 2.根据权利要求1所述的一种层板结构外壁温度的计算方法， 其特征在于： 所述工况条 件包括吹风比M＝ρ2v2/ρ∞v∞、 密度比DR＝ρ2/ρ∞和主流湍流度Tu； 式中ρ2和ρ∞分别为冷气和 主流密度， v2和v∞分别为冷气和主流速度； 所述层板结构参数包括内外壁厚度、 夹层宽度、 冲击孔直径、 扰流柱直径、 气膜孔 直径、 角度以及排数。 3.根据权利要求1所述的一种层板结构外壁温度的计算方法， 其特征在于： 所述外表面 第三类边界条件预测模块包括外表面换 热系数预测子模块和外表面 绝热温度预测子模块； 所述外表面换热系数预测子模块和外表面绝热温度预测子模块均采用神经网络模型 实现， 用于预测换热系 数和绝热温度前， 对所述神经网络模型通过不同工况下不同结构的 层板外壁外表面第三类边界条件数据集进行训练。 4.根据权利要求1所述的一种层板结构外壁温度的计算方法， 其特征在于： 所述内表面 换热系数预测模块中的冷气流动接触区域换热系数预测子模块、 扰流柱与内表面交界面换 热系数预测子模块以及气膜孔侧壁换热系数预测子模块均通过建立对应的神经网络实现， 所述神经网络在使用前通过不同工况下不同结构的层板外壁内表面各区域换热系数数据 集进行训练。 5.根据权利要求1所述的一种层板结构外壁温度的计算方法， 其特征在于： 在所述固体 导热计算模块中， 根据步骤二和步骤三预测得到的当前工况条件下给定层板结构的外壁外 表面第三类边界条件和内表面换热系 数， 给定内表面处流体温度初值， 即层板气膜孔进口 前温度， 针对所建立外壁等效换热平板模型进行固体导热迭代计算， 直至前后两次计算所 得气膜孔进口前温度差异小于10‑5， 将固体温度场输出， 即得到层板外壁温度分布， 完成计 算。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114357876 A 2一种层板结构外壁温度的计算方 法 技术领域 [0001]本发明涉及一种层板结构外壁温度的计算方法。 背景技术 [0002]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。 [0003]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。 [0004]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 [0005]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。 [0006]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： [0007]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； [0008]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；说　明　书 1/5 页 3 CN 114357876 A 3