Научная статья на тему 'Метод численного решения обратных нелинейных задач по восстановлению компонентов тензора теплопроводности анизотропных материалов'

Метод численного решения обратных нелинейных задач по восстановлению компонентов тензора теплопроводности анизотропных материалов Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
168
62
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ ТЕПЛОПЕРЕНОСА / ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ / ТЕНЗОР ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ / АНИЗОТРОПИЯ / КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ / ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ / INVERSE PROBLEMS OF HEAT TRANSFER / HEAT CONDUCTIVITY / TENSOR OF HEAT TRANSFER / ANISOTROPY / COMPOSITE / NUMERICAL METHODS

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Колесник Сергей Александрович

Предлагается новый метод численного решения обратных коэффициентных задач нелинейного теплопереноса в анизотропных материалах, основанный на использовании методов переменных направлений с экстраполяцией, параметрической идентификации и градиентного спуска. Получены результаты по восстановлению компонентов тензора теплопроводности композиционного материала с учётом экспериментальных значений нелинейной теплопроводности этих материалов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Колесник Сергей Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

A method for numerical solution of inverse problems for identification of nonlinear components of the heat transfer tensor for anisotropic materials

A new method for the numerical solution of inverse problems of nonlinear heat transfer in anisotropic materials is proposed. The method is based on the alternate directions method with extrapolation for heat transfer problems along with the method of parametric identification and the gradient descent method. The obtained results are used to restore the conductivity tensor components of the composite material using the experimental values of the nonlinear heat of these materials.

Текст научной работы на тему «Метод численного решения обратных нелинейных задач по восстановлению компонентов тензора теплопроводности анизотропных материалов»

Вычислительные технологии

Том 18, № 1, 2013

Метод численного решения обратных нелинейных

задач по восстановлению компонентов тензора

теплопроводности анизотропных материалов*

С. А. Колесник Московский авиационный институт, (Национальный исследовательский университет), Россия e-mail: sergey@oviont.com

Предлагается новый метод численного решения обратных коэффициентных задач нелинейного теплопереноса в анизотропных материалах, основанный на использовании методов переменных направлений с экстраполяцией, параметрической идентификации и градиентного спуска. Получены результаты по восстановлению компонентов тензора теплопроводности композиционного материала с учётом экспериментальных значений нелинейной теплопроводности этих материалов.

Ключевые слова: обратные задачи теплопереноса, теплопроводность, тензор теплопроводности, анизотропия, композиционный материал, численные методы.

Введение

Большинство теплозащитных композиционных материалов для гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА) являются анизотропными, и их теплопроводность описывается не скалярными величинами, а тензорами (матрицами) теплопроводности, компоненты которых при высоких температурах зависят от температуры, т. е. являются нелинейными. К таким материалам относятся стеклопластики, асбопластики, углерод-углеродные пластики, большинство графитов и графитосодержащих материалов. Моделирование как прямых, так и обратных задач теплопереноса в этих материалах в условиях аэрогазодинамического нагрева ЛА представляет значительные трудности по следующим причинам:

— нестационарное температурное поле многомерно по пространственным переменным;

— вектор плотности теплового потока не ортогонален изотермам, вследствие чего все координатные направления равнозначны и главное из них выделить невозможно;

— дифференциальное уравнение теплопереноса содержит смешанные производные, что не позволяет разделить переменные по координатным направлениям;

— сложность сохранения порядка конечно-разностной аппроксимации краевых условий, содержащих производные, соответствующего порядку во внутренних узлах расчётной области.

* Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы, госконтракт № 16.740.11.0454 и грантов РФФИ 12-01-31231 мол_а, 12-01-33095 мол_а_вед.

Поскольку задачи восстановления нелинейных компонентов тензора теплопроводности анизотропных теплозащитных материалов относятся к классу обратных задач теп-лопереноса, для которых используются решения прямых задач, то все перечисленные трудности решения прямых задач относятся и к обратным задачам. Кроме того, к ним добавляются следующие: сильное влияние на результаты решения обратных коэффициентных задач теплопереноса погрешностей при экспериментальном определении температур; большое число пространственных узлов с экспериментальными значениями температур в анизотропном теплозащитном материале (не менее девяти); сложность учёта нелинейности компонентов тензора переноса и т. п.

Обратные задачи теплопереноса для изотропных материалов рассматривались ранее в работах [1-3]. В [4] решена обратная задача теплопроводности в анизотропном полупространстве на основе аналитического решения, полученного в [5], в [6] решались задачи по восстановлению источника для уравнения диффузии.

В настоящей работе предложен метод численного решения обратных коэффициентных задач теплопроводности в анизотропных теплозащитных материалах в случае, когда компоненты тензора теплопроводности зависят от температуры произвольным образом, например немонотонно (во всех вышеуказанных работах нелинейные коэффициенты были монотонно возрастающими).

1. Постановка задачи

В прямоугольной пластине из анизотропного материала 1\ х /2 (рис. 1) рассматривается следующая коэффициентная обратная задача теплопереноса по определению компонентов тензора теплопроводности Лц (Т) , Л12 (Т) , Л21 (Т) , Л22 (Т):

дХ (Ли (Т) §) + | (Л12 (Т) %) + | (Л.21 (Т) ) + | (Л22 (Т) |) =

Х е (0; /1), у е (0; /2), ¿> 0, (1)

Т(х, 0,£) = Т(Х,М) = Т(0,у,¿) = Т(/1 ,у,г) = Т|г , (2)

Т(х,у, 0) = То. (3)

Рис. 1. Расчётная область; Ох, Оу — оси декартовой системы координат, О£, Оп — главные оси тензора теплопроводности, ориентированные относительно декартовой системы координат под углом р

При этом граничное условие принимается в качестве максимального значения температур T |г = Tmax, а начальное — в качестве минимального T0 = Tmin, т. е.

T ■ < T < T (4)

± min < ± < ^max' V 7

Для замыкания коэффициентной обратной задачи теплопереноса в анизотропной пластине задаются экспериментальные значения температур в девяти точках (см. рис. 1) в зависимости от времени

T ((x,y)i ) = Tifc, i = 1,9, k = IK (5)

Нелинейные компоненты тензора теплопроводности определяются через главные коэффициенты Ag, An и угол ориентации ^ главных осей и On следующим образом [5]:

Ац (T) = Ag (T) cos2 + An (T) sin2 A22 (T) = Ag (T) sin2 + An (T) cos2 A12 (T) = A21 (T) = (Ag (T) - An (T)) sin ^ cos ^ (6)

Поскольку рассматриваемая область двумерна, то количество точек с экспериментальными значениями в направлении каждой координатной оси должно быть не менее двух, а так как она анизотропна, то количество этих точек по координатным направлениям должно быть не менее трех (в соответствии с пространственным шаблоном для конечно-разностных схем). Таким образом, принимается минимально возможное число пространственных точек, равное девяти, с экспериментальными значениями температур, зависящими от времени.

Одним из эффективных методов решения нелинейных коэффициентных обратных задач для уравнений параболического типа вообще и анизотропного переноса тепла, в частности, является метод параметрической идентификации, [3, 4], в котором искомые функции A11 (T) , A12 (T) = A21 (T) , A22 (T) находятся в виде линейной комбинации базисных функций Nm (T) , задаваемых на конечных элементах — конечных отрезках ATm, m = I, M — I (Tmin < T < Tmax) , причём эти базисные функции приписаны

m _

каждому узлу Tm = Tmin + ATl-1 (AT0 = 0), m = I, M, и ортогональны на отрезке

i=1

T E [Tmin, Tmax] в пространстве L2. Здесь используются линейно непрерывные базисные функции [3, 7]

Nm (T) =

Нелинейные компоненты тензора теплопроводности, зависящие от температуры, в методе параметрической идентификации представляются в виде линейных комбинаций базисных функций (Т)

м

Л11 (Т) « ^ А^ (Т), (8)

т=1

T — Tm-1

T — T :

T m T m—1 Tm+1 — T

T — T :

Tm+1 Tm

T < Tm—1, Tm—1 < T < Tm,

Tm < T < Tm+1,

T > T

max

m = I,M.

0

м

Л22 (Т) « Е (Т), (9)

т=1

м

Л12 (Т) « Е Л^ (Т) , (10)

т=1

где коэффициенты линейных комбинаций Л™, Лт2 на каждом т-м конечном элементе т =1, (М — 1) являются искомыми величинами.

На основании принципа максимума можно утверждать, что температура внутри области будет удовлетворять неравенству Тт;п < Т(ж,у, ¿) < Ттах. Для дальнейших рассуждений введём следующие обозначения: Л^ = Л11 (Тт;п), Л^ = Л12 (Тт;п), Л^2 =

Л22 (Ттт) , . . . , Л11 = Л11 (Ттах) , Л12 = Л12 (Ттах)) Л22 = Л22 (Ттах).

2. Метод определения коэффициентов в линейных комбинациях при параметрическом представлении компонентов тензора теплопроводности

Для определения постоянных компонентов вектора Л = (Л;[1,..., Лм1, Л1!2,..., Л12!, Л12,..., Лм)т, т =1, М, в выражениях (8)-(10) вводится квадратичный функционал

1 9 К о

5 (Л) = 2 ЕЕ К* (Л) —

2

г=1 *=1

в виде суммы по пространственно-временным переменным квадратов отклонения экспериментальных значений Т^ в точках ((ж, у^, ¿*) от расчётных Т^* (Л) = ((ж, у)^ Ьк, Л. В случае отсутствия экспериментальных значений температур в качестве последних принимаются результаты численного решения по приемлемым характеристикам Л11 (Т) , Л22 (Т) , Л12 (Т) , считающимся искомыми. При этом в экспериментальные значения может быть добавлена относительная 8 либо абсолютная А погрешность. Предполагается, что при достижении стационарного значения функционала (11) искомые характеристики, заложенные в экспериментальных значениях Т^*, приближённо совпадут с характеристиками, по которым получены расчётные значения температур.

Для минимизации функционала используется неявный метод градиентного спуска

Л(п+1) = Л(п) — а^гаа 5 (Л(п+1)) , (12)

где п — номер итерации, ап — параметрические шаги, выбираемые достаточно малыми с подчинением условию (ап > 0)

5 (Л(п+1)) < 5 (Л(п)). (13)

По условию (13) первоначальное значение а0 может быть выбрано произвольно, например а0 = 0.01. Тогда, если в результате следующей итерации условие (13) не выполнилось, то ап на этой итерации уменьшается и расчёт на ней повторяется, в противном случае — при выполнении (13) для следующей итерации — ап увеличивается. Окончание итерационного процесса устанавливается по близости к нулю grad 5 (Л(п+1)) , т.е. при выполнении условия

^ 5 (Л(п+1))|< е, (14)

где е — заданная точность.

2

Для вычисления градиента функционала в (11) с последующей подстановкой его компонентов в (12) и определения вектора АА(п) = А(га+1) — А(п) разложим в ряд Тейлора функцию Тг,& (А(га+1)) в окрестности А(п), сохраняя линейные относительно АА(п) члены. В результате получим

5 (А(

га+1)

9 Ко

Е Е

г=1 к=1

Т,* А(п)

1=1

дТ^ (А( дА/

га)

АА(п) |— Та

+ 0(||АА|Г

'15)

Компоненты градиента функционала (15) имеют вид

д5 (А(п+1)) _Е Е

дА/

х

г=1 к=1

дТ^ (А(п) дА/

(Ч* (А(п)) — Т,*) + ^ дТ-,;АА(га^ АА((п)

к=1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

X

+

А

дА

£ дТ^(А(П)) АА(га)

9 Ко

Е Е

г=1 *=1

./=1 3м

дА/

Т^ (А(га)) — ТгИ

дТ^ (А(п))

/=1

дА/

АА

(га)

дТгЛ (А(п))

дА/

I = 1, 3М,

'16)

где 3М — количество неизвестных параметров.

Представим (16) в следующей векторно-матричной форме:

grad 5 (А(п+1)) = (А(п)) (т (А(п)) — т) + (А(п)) £ (А(п)) АА(п), (17

£ (А(

га)

( и1 ((ж,у)1,*1,А(га)) ... V1 ((ж,у)1,*1,А(га)) ... ^1((ж,у)1,¿1, А(п)) ... ^

и1 ((ж,у)2,ЛА(га)) ... V1 ((ж,у)2,^1,А(га)) ... ш1 ((ж,у)2, ¿1, А(п)) ...

18)

V«1 ((х,у)9, А(п)) ... V1 ((ж,у)9,£Ко, А(п)) ... ^ ((х,у)9,^Ко, А(п)) ... /

Элементы матрицы (18) (её можно назвать матрицей коэффициентов чувствительности) в точках ((ж,у)^, определяются из решения сопряжённых задач относительно производных от прямой задачи (1)-(4) по каждому компоненту А/, I = 1,.., 3М, и имеют смысл коэффициентов чувствительности температуры при изменении параметров А/:

ит((х,уМк, А)

дТ ((ж,уМ* ,А) дАТ1

, А)

Векторы Т (А(га)) — Т и АА(п) в (17) имеют вид

, , А) =

дТ ((х,уМ*,А)

дТ((х,у)г,^*, А

дАт ,

дАт2

'19)

Т (А(п)) — Т = (Тм (А(п)) — Тм) ,..., (Т/,1 (А(п)) — Т/д) , (Т1,2 (А(п)) — Т^) ,..., (Т/,2 (А(п)) — Т/,2) ,..., (Т/,Ко (А(п)) — Т^)

т

2

1

2

АЛ(п) = АЛ

йп),

.., АЛМ1(п), АЛ12п),..., АЛ22(п), АЛ12п),..., АЛМ2(п)

т

(21)

Подставляя (17) в (12), получим

АЛ(п) = —ап (Л(п)) (Т (Л(п)) — т) + (Л(п)) £ (Л(п)) АЛ(п)

откуда

(Е + ап^т (Л(п)) £ (Л(п))) АЛ(п) = —ап^т (Л(п)) (т (Л(п)) — т)

или

АЛ(п) = —ап (Е + ап^т (Л(п)) £ (Л(п)))-1 (Л(п)) (т (Л(п)) — т)

(22)

Для определения расчётных значений температур Т^* (Л) , входящих в функционал (11), используется экономичный абсолютно устойчивый метод переменных направлений с экстраполяцией (МПНЭ), подробно изложенный и обоснованный в [8, 9], а для нахождения элементов матрицы коэффициентов чувствительности необходимо решить 3М-независимые начально-краевые задачи относительно функций

и1(ж, у, *)

дТ

злЦ !

им (ж, у, *)

дТ

длм;

^1(ж, у, *)

дТ дТ

дл|2;

.Vм (ж, у,*) =

, (ж, у, *) =

дТ

длм,

дТ

дЛм,

которые можно получить, продифференцировав задачу (1)-(4) по соответствующим параметрам Л1ь...,Лм, Л!2,..., Л^^, Л12,...,Лм.

Продифференцируя уравнения задачи (1)-(4) по параметру Л^, получим

д_ дж

ду

м

м

луг ) + £ ЛТ1 дж + (£ ЛГ^„(Г)

т=1

11

ут=1

д_ дж

А

ду

м

Е л:

м

, дЛт(ТЛ 5Т

12 дЛ?1 ) ду

м

+ £ лт,лт(Т)

Л

Е Л52£ + (Е лВл„(Г)

ут=1

м

д дТ дж дЛС1

д дТ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

+

дЖт (Т) \ дТ ду

дж м

ду дЛи д дТ

дждлЦ

дЛ?1

Л ЕГ Л^Т) ) (

д дТ

V ду длЦ

ут=1 / 4 ^ 11

ж е [0;/1] , у е [0; /2] , *> 0

= ср

+ +

д ( дТ

дА дЛ11

дТ . дТ дТ . . дТ

(ж, М) = тггр- (ж,/2,*) = тггр- (0,у,^) = тггр- (/1,у,*) = °

дЛ?1

дЛ?1

дЛ?1

дЛп

дТ

дЛЦ

(ж, у, 0) = 0.

(23)

(24)

(25)

дТ ~ м

Произведём замену в (23)-(25): плр = ир(х,у,*), А11 (Т) = ^ А^Ж^,(Т). В резуль-

т=1

дА?1

тате получим следующую начально-краевую дифференциальную задачу относительно неизвестной функции ир(х,у,*):

д_ дх

м

жр(Т ) + V Ат

дЖт(ТЛ дТ

т=1

дА1

11

дх + Л11 (Т) V дх

д«р

+

д_ дх

А

дУ

м

ЕаГ2дТ + Л.2 (Т/д«р

ут=1

м

дА?1

дУ

дУ

ЕАЗЗД дХ + Л, (Т)(

+

+

д_ ду

м

А

ут=1

д^т(ТЛ дТ + Л (Т^д«р

дАр1 ) + Л22 (ТЧ

= ср-

д«р

д*

х е [0; /1], у е [0; /2], 0, ир(х, 0,*) = ир(х,/2,*) = «р(0, у, *) = ир(/1,у,*) = 0, ир(х,у, 0) = 0.

(26) (27)

Аналогично продифференцировав задачу (1)-(4) по параметрам А^2, А222 и введя обозначения дТ/дАр2 = (х, у,*) и дТ/дА^2 = (х, у,*), получим начально-краевые дифференциальные задачи относительно неизвестных функций ^р(х,у,*) и ^р(х,у,*) соответственно:

А

дх

Ат д^т (Т) \ дТ + Л (т/ д^р а11^Тр I + А11 (Т )

ут=1

дА?2

дх

дх

+

А

дх

А

дУ

м

N (Т) + £ А

дЖт(ТЛ дТ

т_

12 дАр2

^ + Л12 (Т) —

дУ

-

дУ /

т=1

N (т) + Е А?2 ^) % + Л, (Т) (Щ)

+

+

А

дх

м

дЖт(Т) \ дТ + Л (Т/д^р А22 - I ~ + А22 (Т )

ут=1

дА?2

дУ

дУ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ср

д^р

х е [0; /1] , у е [0; /2] , *> 0, ^р(х, 0, *) = ^р(х, /2, *) = ^р(0, у, *) = ^р(/1, у, *) = 0, 1>р(х, у, 0) = 0.

(29)

(30)

д_ дж

+— дж

д_ ду

Е л

дЛт(ТЛ дТ ~ (Т^д^р

дж + Л11 (ТЧ "аж

^ ЗД | + Т12 (т )( £)

ду

дЛт(Т Л дТ + г / д^р Л12 I "^Т + Л12 (Т )

дЛ^2

дж

дж

+

+

+

А

ду

Лр (Т) + £ *^ ду + Т22 (Т>(£)

т=1

= ср

ди>р

д*

ж е [0; /1] , у е [0; /2] , ^р(ж, 0,*) = ^р(ж,/2,*) = и^(0, у, *) = ^р(/1,у,*) = 0, ^р(ж,у, 0) = 0.

Задачи (26)

(32)

(33)

(34) -(4)

8), (29)-(31) и (32)-(34) решаются совместно с прямой задачей ( с помощью метода переменных направлений с экстраполяцией, причём на каждом временном слое используются значения температур, найденные при решении прямой задачи (1)-(4). Таким образом, одновременно находятся элементы матрицы (18) и компоненты вектора (20), которые подставляются в выражение (22).

Фундаментальной проблемой при решении обратных задач является корректность метода решения [1, 5], поскольку коэффициентные обратные задачи зачастую могут быть некорректными, особенно при использовании экспериментальных значений с погрешностями. Здесь можно применить метод регуляризации А.Н. Тихонова [10], однако в этом случае сложно подобрать параметры регуляризации. С другой стороны, если экспериментальные значения считать точными, то можно доказать теоремы о достаточных условиях существования и единственности обратной коэффициентной задачи теплопроводности [4]. Более конструктивным подходом является численный эксперимент, когда при решении обратной задачи к экспериментальным значениям добавляются погрешности до тех величин, пока решение не станет неустойчивым. Именно такой подход и предлагается в настоящей работе.

3. Результаты численных решений

В качестве иллюстрации работоспособности изложенного метода и программного комплекса восстанавливаются нелинейные компоненты тензора теплопроводности углерод-углеродного композитного материала с армированным однонаправленно непрерывным волокном под углом р = 30° к одной из границ пластины. Главные компоненты тензора теплопроводности имели следующие функциональные зависимости:

Л? (Т) = 0.46875 ■ 10-5Т2 — 0.625 ■ 10-2Т + 5.0625,

Лп (Т) = —0.625 ■ 10-5Т2 + 0.0125Т — 4.25.

Итерационный процесс без погрешностей и с добавленной погрешностью в Т^

Номер итерации 5 А11 ^2 ^2 А?1 ^2 А?2 ап

Без погрешности

0 406181 2 2 0 2 2 0 1

1 12342.1 2.84631 1.54525 0.718053 2.98039 2.41681 0.565249 1.2

2 203.876 2.18072 1.55032 0.824741 3.68822 2.44946 0.939521 1.44

3 7.1019 2.42013 1.55114 0.798976 3.44452 2.45603 0.840014 1.728

4 5.96245 2.44688 1.55192 0.802904 3.44453 2.45661 0.850996 2.073

5 5.96186 2.4473 1.55199 0.802965 3.44458 2.45666 0.851008 2.488

6 5.96186 2.4473 1.55199 0.802966 3.44458 2.45666 0.851009 2.985

С добавленной погрешностью

0 412407 2 2 0 2 2 0 1

1 13107 2.82382 1.38153 0.720785 2.85262 2.38604 0.444623 1.2

2 1144.68 1.98963 1.3996 0.820823 3.70417 2.41087 0.944771 1.44

3 595.848 2.28734 1.39834 0.755414 3.40942 2.41461 0.738225 1.728

4 569.87 2.37226 1.39837 0.781108 3.3967 2.40425 0.816026 2.073

5 569.418 2.36953 1.39864 0.779428 3.38991 2.40567 0.809205 2.488

6 569.489 2.37102 1.39862 0.779979 3.39048 2.40538 0.810346 2.985

7 569.489 2.37066 1.39861 0.779769 3.39037 2.40542 0.810189 3.583

Используя соотношения (1), получим функциональные зависимости для компонентов тензора

ЛЦ (Т) = 0.1953125 ■ 10-5Т2 - 0.15625 ■ 10-2Т + 2.734375,

Л22 (Т) = -0.3515625 ■ 10-5Т2 + .78125 ■ 10-2Т - 1.921875,

Л12 (Т) = 0,4736076428 ■ 10-5Т2 - 0,8118988162 ■ 10-2Т + 4.032430788.

Для решения прямой задачи с граничными условиями Т|г = Ттах = 1400 К, Т (ж, у, 0) = Ттт = 600 К принимались входные данные ср = 2.25 ■ 106 Дж/(м3- К), /1 = 0.1 м, ¿2 = 0.06 м. Экспериментальные значения температур вычислялись по этим данным при решении задачи (1)-(4) в точках ж = {0.01; 0.05; 0.09} , у = {0.004; 0.012; 0.02} в моменты времени ^ = 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 с.

Температурный интервал разбивался на три элемента (М = 4): Тт = {600; 900; 1100; 1400}, т = 1,4. Таким образом, определялись 12 искомых параметров: Л™, Лт>, Лт>, т = 1, 4. В таблице приведены итерационные процессы по восстановлению коэффициентов Л11, Л*2, Л12, Л31, Л22, Л?2 без погрешностей в экспериментальных данных Т^

АТ,-

< 5 с равномерным

и с добавленной абсолютной погрешностью в интервале распределением. Видно, что в обоих случаях функционал стремится к стационарному значению. Начальные величины искомых параметров значительно (в 2-3 раза) отличаются от искомых, и тем не менее итерационный процесс сходится с приемлемой скоростью (за шесть — семь итераций), причём параметры на нулевой итерации выбраны из предположения, что материал исследуемой пластины является изотропным с теплопроводностью Л = 2 Вт/(м ■ К).

На рис. 2 приведены графики нелинейных коэффициентов тензора теплопроводности, восстановленные по экспериментальным значениям без погрешности (кривая 2),

600 900 1100 1400 600 900 1100 1400

в

Рис. 2. Восстановленные компоненты Л11 (Т) (а), Л22 (Т) (б), Л12 (Т) (в) тензора теплопроводности при наличии погрешностей в определении экспериментальных значений Т *

с учётом погрешностей в экспериментальных значениях температур Т * (кривая 3 — АТ,* е [—5К; 5К], кривая 4 — АТ,* е [—10К; 10 К]) и нелинейных коэффициентов, заложенных в экспериментальные значения ТД- (кривая 1). Из рисунков видно, что несмотря на добавленную погрешность в экспериментальные данные восстановленные компоненты тензора теплопроводности достаточно точно аппроксимируют кривые, соответствующие нелинейным коэффициентам, заложенным в экспериментальные значения Т*.

Выводы

В работе предложен универсальный алгоритм численного решения обратной коэффициентной задачи теплопереноса в композиционных анизотропных материалах, не зависящий от природы и величин входных данных, которые могут быть изменены в соответствии с физическим экспериментом. Методология основана на методе параметрической

идентификации, неявном методе градиентного спуска и на новом экономичном абсолютно устойчивом методе переменных направлений с экстраполяцией численного решения задач теплопереноса, содержащих смешанные производные.

Впервые получены результаты численных экспериментов по восстановлению компонентов тензора теплопроводности углерод-углеродных композиционных теплозащитных материалов, зависящих от температуры. Показана быстрая сходимость итерационного процесса к точным значениям нелинейных компонентов тензора теплопроводности, заложенным в экспериментальные значения температур, включая случаи наличия в них погрешностей.

Список литературы

[1] Алифанов О.М. Идентификация процессов теплообмена летательных аппаратов (введение в теорию обратных задач теплообмена). М.: Машиностроение, 1979. 216 с.

[2] Бек Дж., Блакуэлл Б., Сент-Клэр Ч., мл. Некорректные обратные задачи теплопроводности: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. 312 с.

[3] Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Численные методы решения обратных задач математической физики. М.: Изд-во ЛКИ, 2009. 480 с.

[4] Кузнецова Е.Л. Восстановление характеристик тензора теплопроводности на основе аналитического решения задачи теплопереноса в анизотропном полупространстве // Теплофизика высоких температур. 2011. Т. 49, № 6. С. 1-8.

[5] Формалёв В.Ф. Тепломассоперенос в анизотропных телах. Обзор // Там же. 2001. Т. 39, № 5. С. 810-832.

[6] Криксин Ю., Плющев С.Н., Самарская Е.А., Тишкин В.Ф. Обратная задача восстановления источника для уравнения конвективной диффузии // Математическое моделирование. 1995. Т. 7, № 11. С. 95-108.

[7] Формалёв В.Ф., РЕвизников Д.Л. Численные методы. М.: Физматлит, 2004. 400 с.

[8] Формалёв В.Ф., Колесник С.А., ЧипАшвилли А.А. Численное моделирование теплопереноса в анизотропных телах с разрывными характеристиками // Там же. 2004. Т. 16, № 5. С. 94-102.

[9] Тихонов А.Н., Леонов А.С., ЯголА А.Г. Нелинейные некорректные задачи. М.: Наука, 1995.

Поступила в 'редакцию 14 августа 2012 г., с доработки — 28 декабря 2012 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.