9897

برسي پديده سوزش گذرا در سپر هاي حرارتي با استفاده از شبكه هاي عصبي مبتني بر فيزيك

كارشناسي

مهندسي مكانيك

1404

دكتر امير مهدي تحسيني

دكتر مجيد سياوشي

1404/08/03

مهندسي مكانيك

Investigation of Transient Ablation in Heat Shields Using Physics-Informed Neural Networks

پديده‌هاي گذرا در سامانه‌هاي حفاظت حرارتي، به‌ويژه در مواجهه با جهش‌هاي شار همرفتي، مي‌توانند به بيش‌تابي و كم‌تابي قابل توجه در نرخ سوختن مواد غيرزغالي‌شونده بي‌انجامند و بر ايمني و ابعادگذاري لايه‌هاي محافظ اثر بگذارند. در اين پژوهش، چارچوبي مبتني بر شبكه‌هاي عصبي آگاه از فيزيك براي بازسازي كمي پاسخ گذرا ارائه شده است. فرمول‌بندي فيزيكي مسئله بر دو فاز استوار است: گرمايش تا رسيدن دماي سطح به آستانه تبخير، و سپس تبخير همراه با پس‌روي سطح. به‌منظور همخواني با اين ماهيت دو‌فازي، دو شبكه مستقل طراحي شد: شبكه نخست زمان آغاز سوختن را از حل رسانش يك‌بعدي با شرط شار سطحي برآورد مي‌كند و شبكه دوم ميدان دما و نرخ سوختن را در حضور پس‌روي سطح، بر پايه موازنه انرژي در سطح، بازسازي مي‌كند. براي بهبود پايداري آموزش، متغيرها بي‌بعدسازي شدند، مشتقات فضايي و زماني با مشتق‌گيري خودكار محاسبه گرديد، و اجزاي تابع زيان (معادله حاكم، شرط‌هاي اوليه و مرزي و قيد سطحي) با طرح وزن‌دهي پويا متعادل شد. رويكرد آموزشي مرحله‌اي، شامل بهينه‌سازي اوليه و ريزتنظيم نهايي، به همگرايي منظم انجاميد. در سناريوي شار ثابت، زمان آغاز سوختن پيش‌بيني‌شده با پاسخ مرجع با اختلاف حدود 0.24 درصد منطبق شد و نرخ حالت پايا با خطاي كمتر از يك درصد بازتوليد گرديد. در سناريوهاي جهش شار (افزايش و كاهش ناگهاني)، دامنه بيش‌تابي و كم‌تابي نرخ سوختن با اختلافي در حدود يك درصد نسبت به حل عددي به‌دست آمد و روند گذرا نيز به‌درستي پي‌گيري شد. علاوه بر اين، شبكه آموزش‌ديده توانست فراتر از افق زماني آموزش، پيش‌بيني پايدار ارائه كند. مقايسه هزينه محاسباتي نشان داد چارچوب حاضر با تعداد نقاط آموزشي به‌مراتب كمتر از روش‌هاي عددي كلاسيك، دقت مهندسي مطلوب را فراهم مي‌آورد. نتايج، كارآمدي رويكرد پيشنهادي را براي به‌كارگيري در حلقه‌هاي طراحي و تحليل حساسيت در سامانه‌هاي حفاظت حرارتي تأييد مي‌كند.

؛شبكه‌هاي عصبي آگاه از فيزيك؛ نرخ سوختن گذرا؛ مواد غيرزغالي‌شونده؛ مواد فداشونده؛ شار همرفتي متغير؛ بي‌بعدسازي؛ وزن‌دهي پويا؛ پس‌روي سطح؛ موازنه انرژي سطحي