彈性管束換熱器殼程分布式脈動(dòng)流誘導(dǎo)管束振動(dòng)研究.pdf

1、換熱器是實(shí)現(xiàn)熱量交換的設(shè)備。彈性管束換熱器利用流體誘導(dǎo)彈性管束振動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合強(qiáng)化傳熱，為無源強(qiáng)化傳熱技術(shù)在換熱器中的應(yīng)用開辟了新的研究方向。目前，實(shí)際工程應(yīng)用中的彈性管束換熱器存在各排彈性管束振動(dòng)不均的現(xiàn)象。導(dǎo)致部分彈性管束易發(fā)生振動(dòng)破壞，部分彈性管束換熱效果較差，影響換熱器的使用壽命和換熱效率。本文從單排/多排彈性管束在均勻殼程流場(chǎng)誘導(dǎo)下的振動(dòng)響應(yīng)出發(fā)，研究了換熱器內(nèi)彈性管束在實(shí)際殼程流場(chǎng)誘導(dǎo)下的振動(dòng)響應(yīng)。設(shè)計(jì)了分布式脈動(dòng)流發(fā)生裝置，并

2、對(duì)殼程流場(chǎng)與分布式脈動(dòng)流耦合誘導(dǎo)下彈性管束的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究。研究工作對(duì)實(shí)現(xiàn)彈性管束換熱器管束振動(dòng)的有效激發(fā)和控制具有重要意義。
　　本文的主要研究工作歸納如下:
　　(1)建立了單排/多排彈性管束及其均勻殼程流體域的幾何模型，基于雙向流固耦合的順序求解法，得到了均勻殼程流場(chǎng)入口流速、管束結(jié)構(gòu)參數(shù)、管程流體和管排數(shù)對(duì)彈性管束振動(dòng)響應(yīng)的影響。研究表明，彈性管束的振動(dòng)主要由殼程流體所誘發(fā)，管程流體對(duì)彈性管束振動(dòng)響

3、應(yīng)的影響較小。在均勻殼程流場(chǎng)的誘導(dǎo)下，彈性管束兩不銹鋼連接體主要表現(xiàn)為面內(nèi)振動(dòng)，當(dāng)流速較低時(shí)，振動(dòng)存在明顯的二倍諧頻。彈性管束的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)的影響顯著，管束截面外徑影響振動(dòng)的頻率和強(qiáng)度，管束壁厚影響振動(dòng)的強(qiáng)度，但不影響振動(dòng)的頻率。均勻殼程流場(chǎng)誘導(dǎo)多排彈性管束振動(dòng)時(shí)，各排彈性管束相互影響，底層部分彈性管束的振動(dòng)強(qiáng)度較大、頻率較高，頂層部分彈性管束的振動(dòng)強(qiáng)度較小、頻率較低。
　　(2)建立了換熱器內(nèi)實(shí)際殼程流體域的幾何模型

4、，得到了實(shí)際殼程流場(chǎng)入口流速、管排間距、管排數(shù)對(duì)各排彈性管束振動(dòng)響應(yīng)的影響，并得到了實(shí)際殼程流場(chǎng)誘導(dǎo)下各排彈性管束的傳熱系數(shù)。提出的網(wǎng)格劃分策略，大幅降低了網(wǎng)格劃分的數(shù)量，提高了網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，并能方便地對(duì)各分割域進(jìn)行結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的調(diào)整。提出的粗算加精算的分步計(jì)算策略，大幅降低了計(jì)算時(shí)間，提高了計(jì)算效率。研究表明，在實(shí)際殼程流場(chǎng)的誘導(dǎo)下，各彈性管束不銹鋼連接體的振動(dòng)均主要表現(xiàn)為面外振動(dòng)。當(dāng)殼程流場(chǎng)入口流速較低時(shí)，各彈性排管束兩不銹鋼連接體

5、的振幅基本一致;當(dāng)殼程流場(chǎng)入口流速較高時(shí)，與小不銹鋼連接體的振動(dòng)相比，各排彈性管束大不銹鋼連接體的振動(dòng)較劇烈。不同管排數(shù)條件下，彈性管束上兩不銹鋼連接體的振幅隨管束編號(hào)的變化均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。不同入口流速條件下，各排管束相同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大相對(duì)誤差均高于10％，振動(dòng)的均勻性較差。大不銹鋼連接體的幅值受管排間距的影響較大，小不銹鋼連接體的頻率受管排間距的影響較大。實(shí)際殼程流場(chǎng)誘導(dǎo)彈性管束的振動(dòng)，能夠在低流速（或低雷諾數(shù)）下大幅提高

6、各排彈性管束的傳熱系數(shù)。
　　(3)設(shè)計(jì)了彈性管束換熱器誘導(dǎo)管束振動(dòng)的殼程分布式脈動(dòng)流發(fā)生裝置。通過對(duì)流道內(nèi)不同擾流體流體繞流的研究，確定三角柱為擾流體，并對(duì)分支管流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。與方柱和圓柱擾流體相比，三角柱擾流體尾流形成的脈動(dòng)流效果較好，且尺寸調(diào)節(jié)靈活、加工制造方便。通過在流道中增設(shè)導(dǎo)流壁，拓寬了入口流體方向角的參數(shù)范圍，更易在擾流體的尾流形成脈動(dòng)流。研究發(fā)現(xiàn)，流體的流動(dòng)參數(shù)和流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)形成脈動(dòng)流的頻率和強(qiáng)度具有重要影

7、響，當(dāng)存在具有一定流速的外部流場(chǎng)時(shí)，形成脈動(dòng)流的頻率具有一定程度的降低。分布式脈動(dòng)流發(fā)生裝置的分支彎管結(jié)構(gòu)，一方面使豎管內(nèi)的流體易于流入分支管，另一方面弱化了殼程流體對(duì)形成脈動(dòng)流的影響。不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同入口流速條件下，分布式脈動(dòng)流發(fā)生裝置各分支管出口流量的最大相對(duì)誤差為7.3％，正常形成脈動(dòng)流的頻率和強(qiáng)度的最大相對(duì)誤差分別為8.33％和5.64％，各分支管形成脈動(dòng)流的均勻性較好。
　　(4)建立了換熱器殼程含脈動(dòng)流發(fā)生裝置流體域

8、的整體幾何模型，得到了各排彈性管束在殼程流場(chǎng)與分布式脈動(dòng)流耦合誘導(dǎo)下的振動(dòng)響應(yīng)及各排彈性管束的傳熱系數(shù);搭建了兩場(chǎng)流體耦合誘導(dǎo)彈性管束振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試了換熱器內(nèi)各排彈性管束在殼程流場(chǎng)和分布式脈動(dòng)流耦合誘導(dǎo)下的振動(dòng)響應(yīng)。數(shù)值研究表明，各排彈性管束的振動(dòng)強(qiáng)度基本一致，彈性管束兩連接銅管均主要表現(xiàn)為面外振動(dòng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)位移曲線存在明顯的“雙峰”現(xiàn)象;監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)強(qiáng)度隨入口流速的增加而增加，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)不變頻率的幅值高于可變頻率的幅值，同一

9、流速下大連接管的振動(dòng)強(qiáng)度高于小連接管的振動(dòng)強(qiáng)度。此外，在殼程流場(chǎng)與分布式脈動(dòng)流耦合誘導(dǎo)下，換熱器內(nèi)各排彈性管束的換熱系數(shù)大幅提高。實(shí)驗(yàn)研究表明，入口流速較高時(shí)彈性管束的振動(dòng)強(qiáng)度較高，殼程流體誘導(dǎo)下各排彈性管束的振動(dòng)不均勻，存在部分彈性管束振動(dòng)較劇烈，部分彈性管束振動(dòng)不明顯的現(xiàn)象。殼程流場(chǎng)與分布式脈動(dòng)流耦合誘導(dǎo)下，兩連接銅管的主要振動(dòng)頻率有兩個(gè)，其中一個(gè)頻率值不受入口流速的影響，稱為不變頻率;另一個(gè)頻率值隨入口流速的增加而增加，稱為可變頻