瞬態加熱會嚴重影響結構的固有振動特性。以變厚度板為研究對象進行熱載狀態下結構的瞬態溫度場和振動特性分析，計算結果表明，在加熱過程中，結構溫度發生顯著變化並引起熱應力，進一步影響到結構的固有振動特性。
基本介紹
- 中文名：瞬態加熱
- 外文名：Transient heating
- 描述：一種加熱方式的描述
- 套用：快速加熱情況
- 學科：熱力學
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概念
在瞬態加熱條件下，應變計測量得到的指示應變值是由三部分組成的：一為構件在外載荷和熱應力作用下產生的真實應變；另一是由於溫度引起的應變計的熱輸出；其三是由試件與應變計金屬敏感柵之間的溫差引起的附加應變誤差-應變修正項。
瞬態加熱下高溫應變計測量誤差的修正方法
研究背景
飛機、火箭等宇航飛機器在以高速進入或穿過大氣層時，由於氣動力加熱的緣故，在構件表面產生很高的溫升，從而在結構中產生較大的熱應力；飛行器的發動機在點火燃燒時產生的高溫也將在發動機殼體及周圍聯接部位引起急速的溫升而導致熱應力的發生。為了保證結構設計安全運行，各種飛行器在地面往往會進行各種模擬試驗，實地測定其各部分的熱應力，從而確保飛行器的運行安全。除此之外，在電力、石化、冶金、造船及核電站等工業部門，也都存在著由高溫而起的各種熱應力問題。
在高溫條件下進行應變測量的方法，有條紋法、散斑干涉法以及電測法等，但是，從測量精度、使用難易程度以及費用等方面衡量，最常用的還是利用各種高溫電阻應變計的電測技術。對於一般的高溫條件下的靜態、動態應變測量，測試方法和數據處理相對地也較簡單，然而對於航空、航天的超音速飛行器，其經受的瞬態加熱環境，其溫升速率從每秒幾度或幾十度甚至上百度，在如此快速的溫升條件下，進行應變測量，對其測量結果的可靠性、正確性的確認尤為複雜和困難。幾十年來，儘管有關高溫應變計和高溫應變測量的文獻比較多，但是對在瞬態加熱條件下應變測量誤差和數據處理等方面的文獻並不多，為了弄清瞬態加熱條件下應變測量誤差的本質，作者根據國內外有關人士在這方面的研究成果，特別是美國的最新研究結果，加以綜合介紹，以便人們系統了解瞬態加熱條件對高溫應變計性能特性的影響，瞬態加熱條件下應變計特性變化的實質，以及在測量數據的處理方面與傳統修正方法比較，新方法具有更高的測量精度。
研究結果
對於同一個應變計，貼上在同一試件上，當經受緩慢溫度變化與經瞬態快速加熱時，其熱輸出特性是完全不相同的。為此，在瞬態快速加熱條件下對應變測量數據的修正，若按傳統方法只修正其熱輸出部分，則測量結果必將帶來很大的誤差。這是由於瞬態加溫條件下，應變計的瞬時熱輸出中不僅包含有應變計的熱輸出，而且還包含有由於應變計敏感柵與試件之間溫差引起的瞬時溫度應變。
從理論上講，瞬態加熱條件下，應變儀的測量數據，可以直接用在不同溫升速率下測定的瞬時熱輸出數據來修正。然而在實際操作上存在有很多具體問題，通常一次試驗，應變測點一般都有幾十點，甚至上百點。由於各個測點的溫升速率是各不相同的，所以若按每個測點實際溫升情況來測定應變計的瞬時熱輸出特性，則工作量非常大。所以一般是根據試驗中各點溫升率情況，把其歸納為幾種典型的溫升率，以此來測定瞬時熱輸出，並進行相應的數據修正。顯然這裡存在著不少問題，誤差也比較大。
對於現今採用的新方法，修正內容包含了應變計在瞬態加熱條件下的熱輸出和瞬時加熱時產生的瞬時溫度應變誤差，即稱為修正項。並且，其中所有的數值都可以精確地測定。特別是採用計算機和相應軟體程式，更能方便地對每個測點實現實時測量，大大提高測量數據的精度。但是，在採用新方法處理數據時，必須在測量試件溫度的同時，測量應變計敏感柵的溫度。
長期以來，人們往往對研究高溫應變計比較關注，這方面的資料也比較多，但是對高溫應變計在測量高溫應變時如何正確使用，由於工作條件的各異，往往比較困難。在高溫應變測量場合，高溫應變計的套用技術研究，一定程度上比研究高溫應變計本身更為重要。因此，無論是研究人員還是套用人員都應重視對應變計套用技術的研究，只有這樣才能正確套用各類應變計，獲得可靠的試驗結果。
瞬態加熱環境下變厚度板溫度場及熱模態分析
溫度效應使得材料的機械性能下降，同時，結構溫度場記憶體在的溫度梯度引起的熱應力也會導致結構彎、扭剛度下降。因此，熱環境下結構固有振動的分析在工程設計中應得到充分的重視。以變厚度板為研究對象，利用 MSC Patran建立結構模型，套用MSC Nastran分析瞬態加熱狀態下結構的溫度場及固有振動特性，並進一步分析加熱對結構固有振動特性的影響。
溫度場及熱模態問題的分析流程
如圖《溫度場及熱模態分析流程》所示，根據瞬態加熱的熱流邊界條件和初始溫度場，結合材料熱物理性能參數(導熱係數、比熱)求解翼面瞬態溫度場；選取某一時刻瞬態溫度場為分析基礎，結合材料的物理性能和力學性能參數(熱膨脹係數、彈性模量和泊松比)以及參考溫度求解熱應力；以熱應力作為初始應力條件結合材料物理性能和力學性能參數(密度、彈性模量和泊松比)求解結構的熱模態。
溫度場及熱模態分析流程
研究結果
利用結構有限元軟體MSC Patran和MSC Nastran對持續加熱環境下的結構的瞬態溫度場分布及固有模態變化進行分析。根據計算結果可以得到以下結論：
（2）溫度對結構各階模態影響不同。總的影響都是使結構剛度降低，但溫度的升高對結構的扭轉剛度影響較彎曲剛度更大，從而導致結構前兩階固有頻率呈現相互接近的趨勢。
超臨界壓力碳氫燃料瞬態加熱回響特性
研究進展
超聲速燃燒衝壓發動機是未來軍用和民用航空器的一個重要發展方向，被稱為航空史上的第三次革命。超燃衝壓發動機的研製涉及傳熱、燃燒、機械、材料等多個學科。在高Mach數下，飛行器的某些部件需要進行冷卻，尤其是燃燒室需要良好的冷卻系統來彌補材料的耐熱極限。
傳統的空氣冷卻技術由於空氣的熱容較小，無法達到良好的冷卻效果；另一方面，液體工質冷卻技術又由於需要飛行器自帶液體工質與附帶散熱器，增加了飛行器的質量，不利於提速。在此背景下，人們提出了再生冷卻技術，即利用燃料進行冷卻，吸熱後的燃料再進入燃燒室進行燃燒。一方面燃料的熱容遠大於空氣，冷卻效果較好；另一方面燃料被預熱，回收了一部分的熱量，燃燒效果也會更好；再者，燃料被預熱後會發生裂解，高碳烴裂解為燃燒性能更好的低碳烴，進一步最佳化了燃燒。
燃料作為冷卻劑對進氣道和燃燒室壁面進行冷卻時，處於超臨界壓力狀態。超臨界壓力流體與普通壓力下的流體相比有著特殊的性質。變物性是超臨界壓力流體的主要特徵之一，在準臨界溫度（即給定壓力下比定壓熱容最大值對應的溫度）附近，流體的熱物性隨溫度的變化異常劇烈，並呈非單調性的變化。劇烈的物性變化使超臨界壓力流體呈現出更加複雜的流動換熱規律，已有研究發現超臨界壓力流體在豎直管道中對流換熱時，流道截面徑向流體密度差引起的浮升力會影響流動換熱，使對流換熱發生強化或惡化；而在管道的軸向方向存在壓力降低和溫度變化引起的密度變化，會引起流體流動加速，進而導致換熱出現局部惡化現象。
實際的發動機中啟動、變工況等均為非穩態條件，對於超臨界碳氫燃料的非穩態流動、換熱特性研究非常必要。特別地，與超臨界壓水堆（SCWRs）類似，超燃衝壓發動機中也可能出現加熱通道內流體的流動不穩定現象，產生壓力波動，從而導致應力而帶來安全隱患。國內外學者對於超臨界流體的流動不穩定性開展了一定的研究。Hitch等實驗發現了甲基環己烷和JP-7航空煤油在壓力小於臨界壓力的1.5倍時容易出現振盪現象，並發現出現
浮升力所帶來的傳熱惡化時，對流傳熱係數可以低至正常情況的1/5。Sharabi等數值研究了加熱管道中超臨界水的流動不穩定現象，並得出了臨界工況的判據。Hou等用頻域法和時域法數值研究了超臨界水在加熱管道中流動的不穩定現象，給出了穩定性邊界。
研究結果
通過對正癸烷在不同加熱條件下的瞬態實驗研究，得到以下主要結論：
（1）較大流量(4kg·h)和較小的加熱量條件下，在給定階躍加熱電壓條件時，超臨界壓力碳氫燃料的出口流體溫度將產生一階回響。
（2）較小流量(2kg·h)的條件下，在特定的熱通量以上，一段時間後發生振盪現象。進口壓力波動將導致流量的波動，從而使得出口流體溫度產生波動。超臨界碳氫燃料的臨界工況和超臨界水有顯著差別。對此還需要進一步的深入研究。
