熱強度介紹

研究結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下承受載荷和耐受熱環(huán)境的能力。熱強度研究還包括結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境和載荷作用下的應(yīng)力、變形、穩(wěn)定性、振動等各方面的性態(tài)。熱強度研究是飛行器結(jié)構(gòu)強度學(xué)科中形成較遲的一個方面。它包括熱強度分析和熱強度試驗。

飛行器結(jié)構(gòu)熱強度試驗是在地面模擬氣動熱、力學(xué)環(huán)境下對全尺寸飛行器結(jié)構(gòu)進行強度驗證和評估的試驗。該類試驗是為解決飛行器跨聲速后出現(xiàn)的熱障問題而發(fā)展起來的一種地面模擬試驗，通過在地面等效模擬飛行熱環(huán)境和氣動載荷，考核結(jié)構(gòu)強度。

飛行器在大氣層內(nèi)以較高的速度飛行時，外表面要承受嚴(yán)酷的氣動加熱。氣動加熱對結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：在高溫環(huán)境下材料的強度極限和彈性模量降低，因此使結(jié)構(gòu)承載能力降低；產(chǎn)生附加熱應(yīng)力，而且與力載荷作用下產(chǎn)生的機械應(yīng)力疊加，影響結(jié)構(gòu)承載能力；在高溫和熱應(yīng)力的共同作用下，結(jié)構(gòu)有可能產(chǎn)生過大的變形，破壞部件的氣動外形；高溫又使結(jié)構(gòu)剛度下降，在幾種因素的綜合作用下，會降低結(jié)構(gòu)固有頻率，嚴(yán)重時容易導(dǎo)致危險的共振現(xiàn)象即氣動熱彈性問題；飛行器運動機構(gòu)受高溫作用，產(chǎn)生不此協(xié)調(diào)變形，會影響機械正常動作，甚至因機件卡塞而導(dǎo)致飛行事故。因此必須對飛行器結(jié)構(gòu)熱強度進行地面驗證和評估。

要解決高速飛行器結(jié)構(gòu)熱強度問題，離不開理論分析、地面試驗和飛行試驗三種手段。理論分析包括氣動加熱、燒蝕、防熱層和結(jié)構(gòu)溫度場、熱應(yīng)力、熱振動和熱顫振等分析計算，涉及空氣動力學(xué)、熱力和傳熱學(xué)、平衡和非平衡化學(xué)反應(yīng)、彈塑性力學(xué)與振動、空氣彈性力學(xué)以及它們之間的耦合分析。地面試驗包括風(fēng)洞試驗和模擬氣動加熱環(huán)境的全尺寸結(jié)構(gòu)強度試驗兩大類型。風(fēng)洞試驗受風(fēng)洞試驗段尺寸的限制，難以進行全尺寸的試驗，而且試驗費用較高因此在地面模擬氣動加熱環(huán)境的全尺寸結(jié)構(gòu)熱強度試驗，成為研究高速飛行器結(jié)構(gòu)熱強度問題最重要的手段。為驗證高速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，考核所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性，需要開展大量的地面熱模擬試驗。

熱強度熱環(huán)境的形成

飛行器高速飛行時，流經(jīng)飛行器表面的氣流由于摩擦等原因受到阻滯，動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，溫度急劇升高，產(chǎn)生氣動加熱現(xiàn)象。氣動加熱與飛行高度有關(guān)，飛行高度越低，空氣密度越大，氣動加熱越嚴(yán)重。例如在30公里高空，當(dāng)飛行馬赫數(shù)為3時，溫度可達300℃左右，飛行速度增加到馬赫數(shù)5時，溫度高達900℃。航天飛機重返大氣層時表面溫度可升到1200℃以上。高溫給飛行器設(shè)計，特別是結(jié)構(gòu)強度帶來嚴(yán)重的問題，技術(shù)上稱為“熱障”。第二次世界大戰(zhàn)末期，德國V-2火箭已遇到這一問題。戰(zhàn)后出覡了高速飛機，熱強度的研究更受到人們重視。除氣動加熱外，還有其他熱源，如發(fā)動機的釋熱、太陽輻射、核爆炸時的高溫輻射等，都構(gòu)成熱環(huán)境。

熱強度熱對結(jié)構(gòu)的影晌

在熱環(huán)境中，結(jié)構(gòu)材料的機械性能明顯下降。由于材料具有熱脹冷縮的特性，受熱結(jié)構(gòu)各部分的熱膨脹受到約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力，溫度分布不均勻時尤為嚴(yán)重，使結(jié)構(gòu)承載能力降低。蠕變是熱環(huán)境下的另一個問題，它是一種隨時間發(fā)展的非彈性變形，溫度越高，載荷越大，發(fā)展越快。蠕變也使結(jié)構(gòu)的極限強度降低，容易發(fā)生屈曲。在熱環(huán)境中長期飛行時，由于永久變形的累積，飛行器的氣動外形受到影響。此外，結(jié)構(gòu)的振動頻率與模態(tài)會發(fā)生變化，顫振的臨界速度會降低，結(jié)構(gòu)剛度的減小還會引起變形發(fā)散等其他氣動彈性問題。核爆炸時，在極短的時間內(nèi)，爆炸點附近的飛行器結(jié)構(gòu)受到高熱沖擊，產(chǎn)生類似沖擊力引起的動態(tài)效應(yīng)，同時引起結(jié)構(gòu)表面與內(nèi)部之間極大的溫差，使表面或內(nèi)部形成裂紋，甚至導(dǎo)致立即破壞，這對脆性材料尤為嚴(yán)重。在高溫下，材料的疲勞性能下降。交變載荷和交變溫度使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱疲勞，結(jié)構(gòu)的斷裂特性也會受到嚴(yán)重影響。

熱強度熱強度分析內(nèi)容和方法

首先需要分析熱環(huán)境。氣動加熱計算是根據(jù)飛行狀態(tài)計算飛行器表面氣流的溫度，進而計算結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)，確定結(jié)構(gòu)的溫度場。溫度很高時，熱輻射的影響明顯，也應(yīng)加以考慮。飛行狀態(tài)通常是非穩(wěn)態(tài)的，當(dāng)飛行高度和速度迅速變化時，結(jié)構(gòu)溫度場具有瞬態(tài)的性質(zhì)。對于其他熱源也需要根據(jù)不同的傳熱方式進行計算。確定熱環(huán)境后，可進行熱應(yīng)力計算、熱剛度計算、熱結(jié)構(gòu)動力特性分析、熱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、大變形計算、蠕變失穩(wěn)的臨界時間的計算、熱顫振、熱疲勞分析等，對結(jié)構(gòu)耐受熱環(huán)境的能力作出評定。這些分析工作不是孤立的，而是與材料的選擇、結(jié)構(gòu)形式的選擇、熱防護設(shè)計等結(jié)合而反復(fù)進行的。例如，根據(jù)不同的溫度范圍，選用鈦合金、不銹鋼和金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)等耐熱性能較好的材料和結(jié)構(gòu)。熱防護通常分為吸收式和輻射式兩類。燒蝕式熱防護屬于前一類，采用燒蝕材料或涂層，例如樹脂、碳等在高溫下熔化、蒸發(fā)、升華或產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，吸收大量的熱，然后被高速氣流帶走，從而保護內(nèi)層結(jié)構(gòu)。一般燒蝕材料或涂層的導(dǎo)熱性很差，故又能起隔熱作用。輻射式熱防護是在飛行器表面覆蓋輻射能力很強又能耐熱的絕熱層，結(jié)構(gòu)受熱時熱流被絕熱層阻擋，飛行器表面溫度很快升高，通過輻射使熱量散失。陶瓷、石墨等都可以作為輻射式熱防護材料。應(yīng)用電子計算機的結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)已成為熱強度分析的有力手段。通過熱強度分析和熱強度試驗，綜合研究各種因素，還可對熱環(huán)境下工作的飛行器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

熱強度表面熱強度

爐管（一般按外表面）單位表面積在單位時間內(nèi)所傳遞的熱量稱為爐管的表面熱強度，常見的有輻射表面熱強度和對流表面熱強度。表面熱強度也稱為熱通量或熱流率，單位為W/m²。

熱強度加熱爐的體積熱強度

爐膛（輻射室）單位體積在單位時間內(nèi)燃料燃燒的總放熱量稱為爐膛體積熱強度，簡稱體積熱強度，一般以kW/m³為單位。

熱強度意義

爐膛體積熱強度是反映爐膛結(jié)構(gòu)緊湊性的指標(biāo)。爐膛體積熱強度高，則爐膛結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、質(zhì)量輕。但是，過分提高爐膛熱強度可能導(dǎo)致不完全燃燒熱損失急劇增大，甚至達到不能允許的程度，因而爐膛體積熱強度應(yīng)該有一個合理的限制，一般燃油時控制小于125kW/m³，燃?xì)鈺r小于165kW/m³。管式爐設(shè)計時只需控制爐管表面平均熱強度，一般就能保證其體積熱強度符合要求，不將體積熱強度作為控制指標(biāo)。體積熱強度一般用作催化裂化輔助燃燒室、硫黃燃燒反應(yīng)爐或焚燒爐的控制指標(biāo)，以保證燃盡度或停留時間符合要求。

熱強度影響因素

（1）沿爐管圓周受熱不均勻。沿爐壁布置的每根爐管向火面主要吸收火焰及高溫?zé)煔獾臒彷椛?，而背火面主要吸收爐壁的反射熱。向火面最前面一點的表面熱強度最高，其他各點的表面熱強度則逐漸降低。如果最高點的表面熱強度定為1，則整個圓周的平均表面熱強度僅為0.562。

（2）沿爐膛高度受熱不均勻。立管加熱爐僅有底部燒嘴時，一般在爐管的下部和中部表面熱強度較高。爐管上下受熱不均勻程度與管子長度、火焰長度和燃燒器與爐管距離等因素有關(guān)，通常不均勻系數(shù)（最大表面熱強度與平均表面熱強度的比值）為1.2～1.5。

（3）被加熱介質(zhì)溫度。在爐膛溫度一定時，管內(nèi)介質(zhì)溫度不同，則爐管的熱強度也不同。在設(shè)計時，熱強度通常是根據(jù)工藝介質(zhì)允許的油膜溫度確定的。

（4）局部傳熱死角。爐管與火焰的相對位置直接影響爐管的熱強度。圓筒爐爐管沿爐壁成圓周排列，火嘴位于中間，可以認(rèn)為每根爐管的表面熱強度是相同的；對于方箱爐，角上爐管比中間爐管傳熱量要少，這就出現(xiàn)了局部傳熱死角，導(dǎo)致爐管表面熱強度的不同。 2100433B

研究結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境下承受載荷和耐受熱環(huán)境的能力。研究還包括結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境和載荷作用下的應(yīng)力、變形、穩(wěn)定性、振動等各方面的性態(tài)。熱強度研究是飛行器結(jié)構(gòu)強度學(xué)科中形成較遲的一個方面。它包括熱強度分析和熱強度試驗。

中文名稱

容積熱強度

英文名稱

volumetric heat release rate

定　　義

單位時間內(nèi)在燃燒室的單位容積中燃料燃燒釋放的熱量。

應(yīng)用學(xué)科

電力（一級學(xué)科），汽輪機、燃?xì)廨啓C（二級學(xué)科）

焦炭熱強度是反映焦炭熱態(tài)性能的一項機械強度指標(biāo)。它表征焦炭在使用環(huán)境的溫度和氣氛下，同時經(jīng)受熱應(yīng)力和機械力時，抵抗破碎和磨損的能力。焦炭的熱強度有多種測量方法，其中一種是熱轉(zhuǎn)鼓強度測定。測量焦炭的熱轉(zhuǎn)鼓強度，一般是將焦炭放在有惰性氣氛的高溫轉(zhuǎn)鼓中，以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)一定轉(zhuǎn)數(shù)后，測定大于或小于某一篩級的焦炭所占的百分率，以此表示焦炭熱強度。幾種主要熱轉(zhuǎn)鼓見圖1：