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Data-driven model for predicting surface heat flux of hypersonic vehicles based on eXtreme Gradient Boosting

物理 高超音速 航空航天工程 机械 高超音速流动 热流密度 Boosting(机器学习) 焊剂(冶金) 梯度升压 传热 计算机科学 机器学习 工程类 随机森林 冶金 材料科学
作者
Chen Wang,Yanming Song,Tao Yan,Shifu Xiao,Lianqing Zhu
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:37 (8) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0282563
摘要

To efficiently and accurately obtain hypersonic vehicle surface heat flux data and shorten the design cycle of thermal protection systems. In this study, a data-driven model is developed to predict surface heat flux on hypersonic vehicles, taking into account the influence of complex surface geometrical features (SGF), a data-driven model, based on eXtreme Gradient Boosting (XGBoost), called XGBoost_SGF. First, the flight state parameters (Height, Mach number, Ma∞, and angle of attack, α) and the state parameters of physical characteristics (atmosphere density, ρ∞, static temperature, T∞, total temperature, T0, and static pressure, P∞) are constructed. Second, surface geometric features are extracted from the arithmetic combinations of eigenvalues of the covariance matrix within the local neighborhood of the three-dimensional (3D) point cloud. Finally, the XGBoost_SGF model is trained using heat flux values corresponding to different spatial coordinate points as output targets. Validation on hypersonic double-ellipsoid configurations demonstrates that the XGBoost_SGF model achieves high predictive accuracy, outperforming versions that omit surface geometric features. The prediction error for the overall surface heat flux remains below 9%, while the error at the stagnation point is less than 2.5%. Moreover, the XGBoost_SGF model significantly enhances computational efficiency, requiring approximately 2 s to predict the surface heat flux distribution for a single flight condition. The data-driven XGBoost_SGF enables accurate and timely aerodynamic thermal analysis, effectively reducing the design cycle of thermal protection systems.

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