用于低温风洞试验的结合数字-物理融合算法(Digital–Physical Integration Algorithm)的主动-被动混合式热控制方法

《Aerospace》：An Active–Passive Hybrid Thermal Control Method Combined with a Digital–Physical Integration Algorithm for Cryogenic Wind Tunnel Testing

　　

在风洞试验中，基于压电作动器(Piezoelectric Actuator, PA)的主动振动抑制系统是保障试验稳定运行的的有效手段，但在低温风洞(Cryogenic Wind Tunnel)环境下，压电作动器暴露于低温及受非均匀冷却作用时性能显著退化，尤其在试验模型迎角(attack angle)实时变化过程中问题尤为突出。为保障风洞试验可靠开展，研究人员提出一种主动-被动混合式热控制方法(Active–Passive Hybrid Thermal Control Method)。首先，基于散热分析结果设计保温层与加热结构；其次，结合仿真数据与实测数据，利用循环神经网络(Recurrent Neural Network, RNN)算法实时重构温度场；再次，针对系统非均匀散热特性，基于数字-物理融合(Digital–Physical Integration)设计热分配模块对整体与局部热量进行主动调控；最后搭建保温性能测试平台，在小型低温风洞内开展冷却试验。结果表明，所提热控制方法使系统平均降温速率降低97%，整体温度均匀性提升约94.23%。

一、研究背景与意义

在高性能飞行器（如超声/高超声速战斗机、导弹）研制中，高雷诺数风洞通过产生低温流场模拟真实飞行条件，是气动布局与特性研究不可或缺的步骤。常规风洞试验中基于压电作动器(Piezoelectric Actuator, PA)的主动振动抑制系统在常温环境下效果显著，但低温风洞中压电陶瓷叠层的介电常数与压电系数因低温而下降，且模型迎角变化引起作动器不同位置非均匀冷却，导致主动抑振能力大幅衰减甚至引发破坏振动。单纯被动保温（加隔热层）无主动热源，长时间运行仍会使作电作动器温降且无法解决温度不均；现有温度敏感涂料(Temperature Sensitive Paint, TSP)及自带测温电路仅获单点/有限点数据，缺乏有效温度场重构(Temperature Field Reconstruction)算法，传统单点反馈或模糊控制难以直接实时调节未监测位置的温度均匀性。为此，研究人员开展结合数字-物理融合算法(Digital–Physical Integration Algorithm)的主动-被动混合热控研究，以确保压电作动器处于目标温区且温度场均匀，发表于《Aerospace》。

二、主要关键技术方法

研究人员首先通过有限元法(Finite Element Method, FEM)分析压电作动器在低温风洞中的对流与导热散热路径，据此选用气凝胶(aerogel)做侧壁被动隔热、氧化锆(zirconia)做端部隔热并嵌入微型陶瓷加热棒及聚酰亚胺(Polyimide, PI)柔性加热膜构成主动热源；提出按温度梯度将作动器区域划分为局部大梯度区、全局平缓区及过渡区，分别采用自适应紧支撑径向基函数(Radial Basis Function, RBF)插值与反距离加权(Inverse Distance Weighting, IDW)插值并余弦加权融合的组合插值法实现全场温度重构；利用ADAM算法优化FEM采样点布置，将时频域处理后的少量实测点数据与FEM数据联合训练单层128单元简单RNN模型映射稀疏测点到全场离散温度；基于重构温度场建立能量耗散模型并量化周向/轴向/径向温度均匀性指标(标准偏差)，采用模糊自适应PID(Fuzzy Adaptive Proportional–Integral–Derivative)控制总加热量，并基于实验-仿真融合辨识各热源对特征点温升响应矩阵，以最小化温度不均匀度为目标优化分配各端/侧热源功率。

三、研究结果

3.1 概述与散热分析(Overview of the Control System & Heat Dissipation Analysis)

研究人员建立牛顿冷却定律与导热边界条件FEM模型，设置来流温度90 K、风速5–50 m/s、迎角0°–20°、材料热导率（氧化锆2.5 W/(m·K)、气凝胶0.025 W/(m·K)、压电作动器3 W/(m·K)），忽略微量热辐射。仿真表明侧面对流与端部导热为主要散热途径，且迎角变化引起非均匀冷却与轴向/径向温度梯度，为后续隔热与热源布局提供依据。

3.2 主动-被动混合温控系统设计(Active–Passive Hybrid Temperature Control System Design)

侧壁包覆气凝胶削减对流散热，端部嵌氧化锆阻断导热并在其内部埋微型陶瓷加热棒控轴向分布，外壁覆两片PI加热膜控径向分布。仅加被动隔热后FEM显示仍存在明显轴向与径向温度梯度，验证需引入主动多点热源协同补偿。

3.3 压电作动器温度场物理-虚拟混合重构方法(Hybrid Physical–Virtual Reconstruction Method for Piezoelectric Actuator Temperature Fields)

定义时空温度梯度算子计算节点重要性因子，将区域划为局部高梯度区（前20%节点）、全局平缓区（其余80%）及重叠过渡区。局部区用自适应紧支撑RBF插值（支持半径r_s按局部材料导热系数k动态修正），全局区用IDW平滑插值，过渡区用余弦权重融合两区结果消除温跳。以插值精度与计算效率综合指标为目标用ADAM优化FEM特征采样点位置，获得优化仿真数据集；实测温度序列做FFT提取主频幅值构成时频特征矩阵作为输入，与仿真数据共同训练简单RNN（隐藏层128单元，Dropout防过拟合，MSE为损失函数）建立稀疏测点→全场温度的映射；再用组合插值完成实时温度场重构。选取验证点对比单一插值法，重构误差在可接受范围内，验证了方法有效性。

3.4 多热源协同自适应控制方法(Multi-Heat Source Collaborative Adaptive Control Method)

基于重构轴向与径向温度分布拟合函数，计算作动器内能及相对于目标温度场的能量亏缺，建立快速热耗散模型供总热量补偿参考。以能量误差e及误差变化率Δe为输入，三角形隶属函数模糊推理实时整定PID的K_p、K_i、K_d参数形成模糊自适应PID控制器输出总加热指令。温度均匀性用周向（各作动器平均温标准差）、轴向（单作动器轴向点温标准差）、径向（单作动器径截面温标准差）指标加权量化；先按各作动器偏离周向均匀度的权重分配总热量至各作动器子系统，再逐一单独激励各端/侧热源记录温度场响应，建立热源功率—特征点温度变化率系数矩阵，以最小化子系统温度不均匀度为目标求解各热源最优功率分配。算例（77 K冷却30 s，迎角20°）优化收敛得具体热源配比。

3.5 实验(Experiment)

搭建含小型低温风洞（液氮冷却至77 K，流速6.9 m/s）、六支周向均布压电作动器（每支贴3组T型热电偶）及LabVIEW测控平台的保温性能测试系统。空白对照组（无隔热无加热）通液氮30 s即最大降温率超255 K/min，轴/周/径向最大温差分别＞55 K、49 K、13 K。实验组先Phase 1（前300 s仅被动隔热，主动关闭）再Phase 2（后1500 s被动+主动同时开启）。Phase 1较空白组最大降温率降至＜6 K/min（平均＜3 K/min，降幅约98%），证明被动隔热有效但仍存慢降温与梯度；Phase 2开启主动控制后作动器平均以1.42 K/min升温，稳温后相对设定点最大偏差1.2 K、均值偏差0.9 K，周向温度均匀性指标提升约94.23%，轴向与径向分别提升约59.62%与76.92%，均较空白组改善超80%，确认主动-被动混合方法可将压电作动器维持在目标温度范围并大幅提升温度均匀性，存在微小超调待后续优化。

四、讨论与结论翻译

研究人员提出一种结合数字-物理融合算法的主动-被动混合热控制方法用于低温风洞试验。该方法采用复合热控结构在良好保温同时兼顾温度均匀性，基于高精度实时温度场重构建立散热模型与热分配模块完成主动热控系统开发，经两阶段对比实验验证有效性，具体结论如下：

(1) 提出主动-被动混合热控系统：依散热路径分析完成被动隔热结构设计，考虑变迎角下温度均匀性因素设计主动热控结构（端内陶瓷加热棒+侧PI加热膜），相比传统单一热控可在低温风洞试验中实现长时间稳定运行。

(2) 设计压电作动器温度场物理-虚拟混合重构方法：按区域分类采用局部自适应RBF、全局IDW及过渡区余弦融合的组合插值，ADAM优化FEM采样点，融合虚拟仿真与实测数据时频特征训练RNN映射稀疏测点至离散温度场，实现压电作动器温度全场实时监测。

(3) 提出多热源协同自适应控制方法：基于温度场重构建热耗散模型与温度均匀性评估框架，应用表明热控系统使温度均匀性指标提升超80%，热源关闭时平均降温率保持低于3 K/min，优于常规热控方法。