论文标题：An Active–Passive Hybrid Thermal Control Method Combined with a Digital–Physical Integration Algorithm for Cryogenic Wind Tunnel Testing

论文链接：https://www.mdpi.com/2226-4310/13/7/576

期刊名：Aerospace

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/aerospace

高雷诺数低温风洞能够通过低温高速流场逼近先进飞行器的真实飞行环境，是研究超声速和高超声速飞行器气动特性的关键设施。然而，模型在气动载荷作用下容易产生明显振动；用于主动抑振的压电执行器一旦暴露在极低温和不均匀冷却环境中，其压电系数、介电性能与控制精度都会下降。尤其在模型攻角实时变化时，不同位置的执行器受冷程度并不一致，仅靠保温材料难以支撑持续数小时的试验，而少量测温点又无法直接反映器件内部的完整温度场。针对这一难题，大连理工大学研究团队在Aerospace期刊发表研究，提出一种面向低温风洞压电主动抑振系统的主动-被动混合热控方法，并通过数值仿真、实验测量与机器学习的融合，实现温度场实时重构和多热源协同调节。

图1 面向低温风洞试验的温控系统与数实融合算法框架。

研究方法与过程

研究首先从散热路径入手设计被动保温与主动加热结构。压电执行器侧壁采用低导热气凝胶削弱与低温气流之间的对流换热，端部采用兼具硬度和隔热性能的氧化锆抑制向支撑结构的热传导；同时在氧化锆中嵌入微型陶瓷加热棒，并在执行器上下表面布置两片柔性聚酰亚胺加热膜，分别调节轴向和径向温度分布。针对有限测点难以感知全场温度的问题，团队按温度梯度将执行器划分为局部高梯度区、全局平缓区和过渡区：局部区域采用自适应径向基函数插值，全局区域采用反距离加权插值，过渡区域利用Hermite函数平滑衔接。随后以精度和计算速度为共同目标，使用ADAM算法优化仿真采样点布局。

在此基础上，研究将仿真样本与实测温度的时域、频域特征共同输入循环神经网络，建立稀疏测点到离散温度场之间的映射，从而实现压电执行器全温度场的实时重构。控制端则把重构温度场转化为系统热量缺口和周向、轴向、径向温度均匀性指标：模糊自适应PID负责确定总加热量，热量分配模块根据各热源的实验-仿真响应模型，把总能量分配到不同执行器及其端部、侧面热源。为验证方法，团队搭建了液氮冷却的小型低温风洞，在77 K、6.9 m/s条件下对六个周向分布的压电执行器开展试验。测温采样频率为20 Hz；实验先关闭主动加热、仅依靠被动结构运行300 s，再开启主动热控持续1500 s，并与完全无热控的空白组进行对比。

图2 小型低温风洞中的温度测量、控制硬件及压电主动抑振试验系统。

关键结论

实验表明，混合热控能够同时改善保温能力、温度稳定性和空间均匀性。仅采用被动保温结构时，关键测点的平均降温速率由空白组的138.2 K/min降至2.4 K/min，约降低98%；最大降温速率也由255.7 K/min降至5.7 K/min。主动热控开启并稳定后，温度相对设定值的平均偏差仅0.9 K，最大偏差为1.2 K。与仅采用被动保温的阶段相比，周向、轴向和径向温度均匀性指标分别提升约94.23%、59.62%和76.92%；与空白组相比，三个方向的均匀性指标均改善80%以上。这些结果说明，数实融合的温度场重构使控制系统不再局限于少量传感器附近，而多热源协同分配则能够在复杂低温和变攻角工况下兼顾整体保温与局部温差。该方法为低温风洞压电主动抑振系统的长时间稳定运行提供了新的技术路径。研究同时指出，系统仍存在短暂热响应滞后和温度超调，后续需进一步优化动态控制策略。

图3 主动热控开启后六个压电执行器关键测点的温度变化过程。

Aerospace期刊介绍

主编：Konstantinos Kontis, University of Glasgow, Scotland, UK

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2025 CiteScore：4.8

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