[科普中国]-瞬态加热

瞬态加热会严重影响结构的固有振动特性。以变厚度板为研究对象进行热载状态下结构的瞬态温度场和振动特性分析，计算结果表明，在加热过程中，结构温度发生显著变化并引起热应力，进一步影响到结构的固有振动特性。

概念在瞬态加热条件下，应变计测量得到的指示应变值是由三部分组成的：一为构件在外载荷和热应力作用下产生的真实应变；另一是由于温度引起的应变计的热输出；其三是由试件与应变计金属敏感栅之间的温差引起的附加应变误差-应变修正项。

瞬态加热下高温应变计测量误差的修正方法研究背景飞机、火箭等宇航飞机器在以高速进入或穿过大气层时，由于气动力加热的缘故，在构件表面产生很高的温升，从而在结构中产生较大的热应力；飞行器的发动机在点火燃烧时产生的高温也将在发动机壳体及周围联接部位引起急速的温升而导致热应力的发生。为了保证结构设计安全运行，各种飞行器在地面往往会进行各种模拟试验，实地测定其各部分的热应力，从而确保飞行器的运行安全。除此之外，在电力、石化、冶金、造船及核电站等工业部门，也都存在着由高温而起的各种热应力问题。

在高温条件下进行应变测量的方法，有条纹法、散斑干涉法以及电测法等，但是，从测量精度、使用难易程度以及费用等方面衡量，最常用的还是利用各种高温电阻应变计的电测技术。对于一般的高温条件下的静态、动态应变测量，测试方法和数据处理相对地也较简单，然而对于航空、航天的超音速飞行器，其经受的瞬态加热环境，其温升速率从每秒几度或几十度甚至上百度，在如此快速的温升条件下，进行应变测量，对其测量结果的可靠性、正确性的确认尤为复杂和困难。几十年来，尽管有关高温应变计和高温应变测量的文献比较多，但是对在瞬态加热条件下应变测量误差和数据处理等方面的文献并不多，为了弄清瞬态加热条件下应变测量误差的本质，作者根据国内外有关人士在这方面的研究成果，特别是美国的最新研究结果，加以综合介绍，以便人们系统了解瞬态加热条件对高温应变计性能特性的影响，瞬态加热条件下应变计特性变化的实质，以及在测量数据的处理方面与传统修正方法比较，新方法具有更高的测量精度。

研究结果对于同一个应变计，粘贴在同一试件上，当经受缓慢温度变化与经瞬态快速加热时，其热输出特性是完全不相同的。为此，在瞬态快速加热条件下对应变测量数据的修正，若按传统方法只修正其热输出部分，则测量结果必将带来很大的误差。这是由于瞬态加温条件下，应变计的瞬时热输出中不仅包含有应变计的热输出，而且还包含有由于应变计敏感栅与试件之间温差引起的瞬时温度应变。

从理论上讲，瞬态加热条件下，应变仪的测量数据，可以直接用在不同温升速率下测定的瞬时热输出数据来修正。然而在实际操作上存在有很多具体问题，通常一次试验，应变测点一般都有几十点，甚至上百点。由于各个测点的温升速率是各不相同的，所以若按每个测点实际温升情况来测定应变计的瞬时热输出特性，则工作量非常大。所以一般是根据试验中各点温升率情况，把其归纳为几种典型的温升率，以此来测定瞬时热输出，并进行相应的数据修正。显然这里存在着不少问题，误差也比较大。

对于现今采用的新方法，修正内容包含了应变计在瞬态加热条件下的热输出和瞬时加热时产生的瞬时温度应变误差，即称为修正项。并且，其中所有的数值都可以精确地测定。特别是采用计算机和相应软件程序，更能方便地对每个测点实现实时测量，大大提高测量数据的精度。但是，在采用新方法处理数据时，必须在测量试件温度的同时，测量应变计敏感栅的温度。

长期以来，人们往往对研究高温应变计比较关注，这方面的资料也比较多，但是对高温应变计在测量高温应变时如何正确使用，由于工作条件的各异，往往比较困难。在高温应变测量场合，高温应变计的应用技术研究，一定程度上比研究高温应变计本身更为重要。因此，无论是研究人员还是应用人员都应重视对应变计应用技术的研究，只有这样才能正确应用各类应变计，获得可靠的试验结果。1

瞬态加热环境下变厚度板温度场及热模态分析温度效应使得材料的机械性能下降，同时，结构温度场内存在的温度梯度引起的热应力也会导致结构弯、扭刚度下降。因此，热环境下结构固有振动的分析在工程设计中应得到充分的重视。以变厚度板为研究对象，利用 MSC Patran建立结构模型，应用MSC Nastran分析瞬态加热状态下结构的温度场及固有振动特性，并进一步分析加热对结构固有振动特性的影响。

温度场及热模态问题的分析流程温度场及热模态的分析流程如图1所示，根据瞬态加热的热流边界条件和初始温度场，结合材料热物理性能参数(导热系数、比热)求解翼面瞬态温度场；选取某一时刻瞬态温度场为分析基础，结合材料的物理性能和力学性能参数(热膨胀系数、弹性模量和泊松比)以及参考温度求解热应力；以热应力作为初始应力条件结合材料物理性能和力学性能参数(密度、弹性模量和泊松比)求解结构的热模态。

研究结果利用结构有限元软件MSC Patran和MSC Nastran对持续加热环境下的结构的瞬态温度场分布及固有模态变化进行分析。根据计算结果可以得到以下结论：

（1）对于相对简单的结构模型，升温会导致材料弹性模量下降并产生热应力，二者的综合影响使结构模型在受热后固有频率呈现下降趋势。但如果继续加热，温度场趋于均匀，则结构的固有频率会缓慢回升。

（2）温度对结构各阶模态影响不同。总的影响都是使结构刚度降低，但温度的升高对结构的扭转刚度影响较弯曲刚度更大，从而导致结构前两阶固有频率呈现相互接近的趋势。2

超临界压力碳氢燃料瞬态加热响应特性研究进展超声速燃烧冲压发动机是未来军用和民用航空器的一个重要发展方向，被称为航空史上的第三次革命。超燃冲压发动机的研制涉及传热、燃烧、机械、材料等多个学科。在高Mach数下，飞行器的某些部件需要进行冷却，尤其是燃烧室需要良好的冷却系统来弥补材料的耐热极限。

传统的空气冷却技术由于空气的热容较小，无法达到良好的冷却效果；另一方面，液体工质冷却技术又由于需要飞行器自带液体工质与附带散热器，增加了飞行器的质量，不利于提速。在此背景下，人们提出了再生冷却技术，即利用燃料进行冷却，吸热后的燃料再进入燃烧室进行燃烧。一方面燃料的热容远大于空气，冷却效果较好；另一方面燃料被预热，回收了一部分的热量，燃烧效果也会更好；再者，燃料被预热后会发生裂解，高碳烃裂解为燃烧性能更好的低碳烃，进一步优化了燃烧。

燃料作为冷却剂对进气道和燃烧室壁面进行冷却时，处于超临界压力状态。超临界压力流体与普通压力下的流体相比有着特殊的性质。变物性是超临界压力流体的主要特征之一，在准临界温度（即给定压力下比定压热容最大值对应的温度）附近，流体的热物性随温度的变化异常剧烈，并呈非单调性的变化。剧烈的物性变化使超临界压力流体呈现出更加复杂的流动换热规律，已有研究发现超临界压力流体在竖直管道中对流换热时，流道截面径向流体密度差引起的浮升力会影响流动换热，使对流换热发生强化或恶化；而在管道的轴向方向存在压力降低和温度变化引起的密度变化，会引起流体流动加速，进而导致换热出现局部恶化现象。

实际的发动机中启动、变工况等均为非稳态条件，对于超临界碳氢燃料的非稳态流动、换热特性研究非常必要。特别地，与超临界压水堆（SCWRs）类似，超燃冲压发动机中也可能出现加热通道内流体的流动不稳定现象，产生压力波动，从而导致应力而带来安全隐患。国内外学者对于超临界流体的流动不稳定性开展了一定的研究。Hitch等实验发现了甲基环己烷和JP-7航空煤油在压力小于临界压力的1.5倍时容易出现振荡现象，并发现出现
浮升力所带来的传热恶化时，对流传热系数可以低至正常情况的1/5。Sharabi等数值研究了加热管道中超临界水的流动不稳定现象，并得出了临界工况的判据。Hou等用频域法和时域法数值研究了超临界水在加热管道中流动的不稳定现象，给出了稳定性边界。

研究结果通过对正癸烷在不同加热条件下的瞬态实验研究，得到以下主要结论：

（1）较大流量(4kg·h-1)和较小的加热量条件下，在给定阶跃加热电压条件时，超临界压力碳氢燃料的出口流体温度将产生一阶响应。

（2）较小流量(2kg·h-1)的条件下，在特定的热通量以上，一段时间后发生振荡现象。进口压力波动将导致流量的波动，从而使得出口流体温度产生波动。超临界碳氢燃料的临界工况和超临界水有显著差别。对此还需要进一步的深入研究。3

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学