彈性管束換熱器各組件動態(tài)特性研究.pdf

1、面對日益嚴(yán)重的能源短缺，開發(fā)新能源、研究提高能源利用效率的理論和方法、研制新型高效節(jié)能換熱設(shè)備已經(jīng)并將繼續(xù)成為研究熱點。本文以國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目“高能耗行業(yè)典型換熱設(shè)備節(jié)能的先進(jìn)理論與方法”(2007CB206900)為背景，結(jié)合工程實際和振動控制理論，系統(tǒng)深入地研究了一種新型換熱設(shè)備及其組件的動態(tài)特性。建立了復(fù)雜激勵兩端簡支薄壁圓柱殼體動力學(xué)方程，推導(dǎo)了驅(qū)動點導(dǎo)納矩陣公式，可供殼體振動系統(tǒng)子結(jié)構(gòu)導(dǎo)納法描述直接利用；基于梁函數(shù)

2、組合法和伽遼金法研究了各種結(jié)構(gòu)參數(shù)對曲殼固有特性的影響；運用模態(tài)綜合法和有限元法，著重研究了彈性管束換熱元件本身以及管束與管內(nèi)外流體互相耦合后的動力學(xué)特性。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)造性成果如下： 基于經(jīng)典薄殼理論，建立了兩端簡支圓柱殼體在復(fù)雜激勵下的振動微分方程，運用模態(tài)疊加法求解出殼體結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)簡諧激勵下的響應(yīng)表達(dá)式，推導(dǎo)出殼體在力和力矩共同作用下的驅(qū)動點力導(dǎo)納、力矩導(dǎo)納和耦合導(dǎo)納公式，為子結(jié)構(gòu)導(dǎo)納法描述以殼體為基礎(chǔ)的隔振系統(tǒng)提供了可

3、供利用的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。研究了殼體幾何參數(shù)、物性參數(shù)以及激勵作用點位置等對殼體導(dǎo)納的影響，得出了殼體中振動能量的分布與傳輸特性，為采取主被動控制措施達(dá)到減振降噪的目的提供了潛在途徑。研究表明：單獨作用力或者力矩時，導(dǎo)納的實部恒正，意味著力或者力矩產(chǎn)生的振動能量輸入結(jié)構(gòu)，殼體為能量接受體；同時作用力和力矩時，耦合導(dǎo)納的實部卻有可能為負(fù)，意味著結(jié)構(gòu)對外部力或者力矩產(chǎn)生反作用，振動能量從殼體結(jié)構(gòu)流出。作為與激振頻率有關(guān)的結(jié)構(gòu)的柔度，導(dǎo)納值與輸入

4、結(jié)構(gòu)的功率流密切相關(guān)。通過增加厚度、減小跨度等手段改變殼體幾何參數(shù)，可使低頻段傳遞到結(jié)構(gòu)的能量顯著減少。結(jié)構(gòu)阻尼對抑制共振峰值有明顯效果，卻使振動能量從共振區(qū)向非共振區(qū)分散，需要根據(jù)實際酌情選用。合理選擇激勵作用點位置可以避開某些敏感頻率，是柔性結(jié)構(gòu)振動控制值得考慮的一個重要方面。 以應(yīng)用比較廣泛的Flugge薄壁殼體理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出曲殼自由振動控制方程，并綜合運用梁函數(shù)組合法與加權(quán)殘值法予以求解。利用殼體振型的軸向分布接近于

5、相應(yīng)邊界條件的梁的振型函數(shù)這一特性，用軸向梁函數(shù)與周向三角函數(shù)的組合逼近殼體的振型函數(shù)，根據(jù)邊界條件假設(shè)出合適的位移表達(dá)式，代入振動方程并用伽遼金法求解相應(yīng)的特征方程，得出曲殼的固有頻率和振型等特性。詳細(xì)分析了殼體幾何參數(shù)、約束條件和附加質(zhì)量等對曲殼振動特性的影響。結(jié)果顯示：邊界條件對曲殼固有頻率影響較大。其它條件相同時，約束越強(qiáng)，頻率越高。與兩端簡支的直圓柱殼體不同，兩端簡支曲殼存在頻率不為零的剛體滑動模態(tài)。與直圓柱殼體比較，薄壁曲殼

6、的振型要復(fù)雜的多，拱背和拱腹往往呈現(xiàn)出不同的振動形式。截面半徑與彎曲半徑之比、厚度、彎曲半徑等幾何參數(shù)對曲殼固有頻率也有較大影響，但對于不同的約束條件和不同的模態(tài)階次，其影響規(guī)律并不一致。集中質(zhì)量對曲殼固有頻率有明顯的降低效應(yīng)，但與作用位置密切相關(guān)。根據(jù)子結(jié)構(gòu)法“化整為零，積零為整”的基本思想和彈性管束本身的結(jié)構(gòu)特點，把管束劃分為空間曲梁和三維實體(剛體和彈性體)等六個子結(jié)構(gòu)，通過坐標(biāo)變換，建立起各子結(jié)構(gòu)的模態(tài)坐標(biāo)模型，然后根據(jù)界面協(xié)調(diào)

7、條件進(jìn)行綜合，得到整體結(jié)構(gòu)用模態(tài)坐標(biāo)表示的自由振動方程，最后數(shù)值計算出固有頻率和相應(yīng)振型，初步解釋了彈性管束實現(xiàn)復(fù)合強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。研究了主模態(tài)數(shù)目和約束模態(tài)數(shù)目對計算結(jié)果的影響規(guī)律。探討了不同設(shè)計參數(shù)對改變管束固有頻率的作用。研究發(fā)現(xiàn)：彈性管束的振型比較復(fù)雜，面外振動和面內(nèi)振動同時存在，在管束內(nèi)外流體介質(zhì)的寬頻激勵下，將發(fā)生小幅持續(xù)振動，從而提高換熱性能和抗結(jié)垢能力。只要離散各子結(jié)構(gòu)所取的單元數(shù)量足以使其頻率收斂，整個結(jié)構(gòu)的固有頻率將

8、只取決于約束模態(tài)數(shù)目與主模態(tài)數(shù)目之和。當(dāng)約束模態(tài)和主模態(tài)各取到第五階的時候，所得固有頻率的精度已經(jīng)與整體模型相差無幾。在決定彈性管束固有特性的各種設(shè)計參數(shù)中，管子截面半徑的影響要大于壁厚，而連接體位置的影響則隨模態(tài)階次不同而不同。在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，對彈性管束進(jìn)行了頻響分析，考察了各階模態(tài)位移對總體響應(yīng)的貢獻(xiàn)量，為管束優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。 考慮流體的可壓縮性，采用位移-壓力格式(即固體、流體分別以位移和壓力作為基本未知量)對

9、彈性管束一流體組成的流固耦合系統(tǒng)進(jìn)行離散，建立流固耦合系統(tǒng)的有限元分析模型，分別對彈性管束結(jié)構(gòu)本身、管內(nèi)外流體以及結(jié)構(gòu)-流體耦合系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，著重研究了二者間相互作用對各自動態(tài)特性的影響。根據(jù)彈性管束的結(jié)構(gòu)特點和約束條件，建立脈動流作用下管束結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫振動模型，詳細(xì)分析了彈性管束在穩(wěn)態(tài)流體激勵下的動力響應(yīng)特性。研究發(fā)現(xiàn)：考慮流體的耦合作用后，系統(tǒng)頻率會有不同程度的下降。密度不同的流體介質(zhì)對頻率下降的貢獻(xiàn)量不同。當(dāng)管內(nèi)外為密度較大的流體

10、時，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須考慮這種下降效應(yīng)，以避免共振的發(fā)生。在耦合系統(tǒng)中，流體壓力變化會引起結(jié)構(gòu)振動，結(jié)構(gòu)振動也會改變流體壓力分布，從而出現(xiàn)新的振動形式。結(jié)構(gòu)和流體之間的相互作用會改變原系統(tǒng)模態(tài)的頻率和振型；一個系統(tǒng)在其模態(tài)頻率處的振動還會引起另一個系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)模式的振動。在脈動流持續(xù)不斷的激勵下，彈性管束發(fā)生強(qiáng)迫振動，但其振動始終處于一個亞共振區(qū)內(nèi)，既有足夠大的振幅又不至于破壞，同時兼顧了換熱元件經(jīng)濟(jì)性(強(qiáng)化傳熱)和可靠性(長期高效安全運行)

11、兩方面的要求。 從為理論分析提供實驗數(shù)據(jù)支持的角度出發(fā)，利用現(xiàn)代測試儀器搭建實驗臺，對彈性管束進(jìn)行了實驗?zāi)B(tài)分析。為了得到理想的測試效果，專門設(shè)計了支承結(jié)構(gòu)，精心選擇測點位置，并合理設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。經(jīng)過動態(tài)測試和參數(shù)識別兩個步驟，得到了彈性管束的固有頻率、模態(tài)阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)。對比有限元分析結(jié)果與實驗結(jié)果，二者吻合良好，從而驗證了有限元模型在單元劃分、屬性設(shè)置、約束條件等效和計算方法選擇等方面的可靠性，并為進(jìn)一步研究彈性管束