彈性管束流體誘導(dǎo)振動強化換熱與疲勞強度研究.pdf

1、流體誘導(dǎo)振動強化換熱是依靠流體橫掠彈性傳熱元件時誘發(fā)管束產(chǎn)生的振動，實現(xiàn)無源振動強化換熱。然而，振動易導(dǎo)致管束發(fā)生疲勞斷裂。因此，同時兼顧流體誘導(dǎo)彈性管束振動強化換熱與疲勞強度顯得尤為重要。本文針對平面彈性管束換熱器殼程流體誘導(dǎo)管束振動，利用場協(xié)同理論和多軸疲勞分析方法深入研究流體誘導(dǎo)振動強化換熱與管束疲勞強度，建立了流體誘導(dǎo)彈性管束振動強化換熱經(jīng)驗關(guān)系式，提出了彈性管束振動疲勞強度判定圖，實驗測試了彈性管束在分布式脈動流場、耦合流場以

2、及平穩(wěn)流場中的振動響應(yīng)，對三種流場中彈性管束的振動強化換熱進(jìn)行了數(shù)值分析。研究工作對彈性管束換熱器設(shè)計和應(yīng)用具有重要的意義。
　　本文的研究工作歸納如下:
　　(1)不計管束的彈性和振動，數(shù)值計算了雷諾數(shù)200-1000范圍內(nèi)單排及多排剛性管束的殼程對流換熱，分析了管間距20-30mm、管排距50-70mm時，流體雷諾數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對剛性管束殼程對流換熱的影響，利用Matlab回歸分析建立了多排剛性管束換熱經(jīng)驗關(guān)系式。研究表明

3、，殼程壓降受雷諾數(shù)的影響更大，通過增大雷諾數(shù)提高管束換熱系數(shù)需要考慮能耗效率的影響。在本文研究的參數(shù)范圍內(nèi)，管排距大于管排距臨界值(3.25D-4D)，可以忽略管排距對殼程對流換熱的影響。管間距主要影響殼程壓降的變化，換熱性能表明管間距20mm是目前結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)較優(yōu)的管束結(jié)構(gòu)配置。綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)及流體雷諾數(shù)對多排剛性管束殼程對流換熱的影響，擬合得到多排剛性管束對流換熱經(jīng)驗關(guān)系式為，Nu=0.036Re0.72Prf0.36(Prf/Pr

4、w)025。
　　(2)采用雙向流固耦合順序求解法，數(shù)值計算了殼程流體誘導(dǎo)彈性管束振動強化換熱，利用場協(xié)同理論分析了彈性管束流體誘導(dǎo)振動強化換熱以及在不同入口速度和結(jié)構(gòu)參數(shù)下的換熱性能，基于量綱分析法推導(dǎo)了包含流體雷諾數(shù)和振動雷諾數(shù)的流體誘導(dǎo)彈性管束振動強化換熱經(jīng)驗關(guān)系式。研究表明，管外振蕩速度以及場協(xié)同水平的改善是流體誘導(dǎo)振動強化換熱的重要因素，其中，場協(xié)同水平的改善起主導(dǎo)作用，當(dāng)管外場協(xié)同水平提高6.01％時，彈性管束努塞爾數(shù)

5、提高了6.5％。在入口速度0.2-0.5m/s范圍內(nèi)，彈性管束在流體誘導(dǎo)振動作用下努塞爾數(shù)分別提高了8.26％，6.07％，5.67％和3.91％，強化換熱數(shù)值隨入口流速的增大而減小。計算得到最大和最小PEC數(shù)值分別為1.08和1.03，較小的PEC差異表明有時可采用較高的入口速度以提高彈性管束的換熱能力。中間兩根管束具有更好的強化換熱能力，當(dāng)入口速度為0.2m/s和0.5m/s時，中間管束努塞爾數(shù)分別提高了12.97％和4.58％，兩

6、側(cè)管束努塞爾數(shù)分別提高了5.37％和2.4％。流體誘導(dǎo)彈性管束振動強化換熱數(shù)值與振動雷諾數(shù)具有相同的變化趨勢，隨著管壁厚度的減小和管間距的增大而增大，管壁厚度0.75mm的彈性管束努塞爾數(shù)最大提高了14.3％，管間距30mm的彈性管束努塞爾數(shù)最大提高了28.8％。在流體誘導(dǎo)振動作用下，彈性管束管排距的最大臨界值從4D增大到6D。基于不同流體參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的振動強化換熱結(jié)果，擬合得到具有流體雷諾數(shù)和振動雷諾數(shù)共同作用的流體誘導(dǎo)彈性管束振動

7、強化換熱經(jīng)驗關(guān)系式為，(Nuv/Nu)-1=0.036(Rev/Re)1.584(δ/D)0.14。
　　(3)計算了彈性管束流體誘導(dǎo)振動下的應(yīng)力分布，根據(jù)危險部位受力特點，對彈性管束進(jìn)行了多軸應(yīng)力疲勞分析，基于Von Mises應(yīng)力準(zhǔn)則計算了彈性管束安全系數(shù)，提出了彈性管束振動疲勞強度判定圖。分析了管壁厚度0.75-1.5mm、管間距20-30mm范圍內(nèi)彈性管束的疲勞強度變化，計算了入口速度1-3m/s范圍內(nèi)彈性管束的流體誘導(dǎo)振

8、動強化換熱，得到了彈性管束既滿足疲勞強度又實現(xiàn)強化換熱的振動參數(shù)范圍。研究表明，危險部位處于最內(nèi)側(cè)管束彎折處，承受彎矩和扭矩多重交變循環(huán)載荷作用，管束疲勞強度主要受振動幅值的影響。安全系數(shù)隨振動雷諾數(shù)的增大而減小，管壁厚度0.75mm的管束最小安全系數(shù)為14.3，管間距30mm的管束最小安全系數(shù)為6.7，都處于彈性管束振動疲勞強度判定圖中的安全區(qū)域，滿足管束疲勞強度要求，不會發(fā)生疲勞斷裂。在本文研究的參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)Re=100-900時

9、，Rev=147-780是彈性管束既滿足疲勞強度又實現(xiàn)強化換熱的振動參數(shù)范圍。
　　(4)實驗測試了彈性管束在分布式脈動流場、耦合流場和平穩(wěn)流場中的振動響應(yīng)，數(shù)值分析了彈性管束的疲勞強度、振動強化換熱以及綜合換熱性能，對比了耦合流場在誘導(dǎo)彈性管束振動強化換熱中的優(yōu)勢，提出了CAE輔助分布式脈動流換熱器設(shè)計流程。研究表明，分布式脈動流對大連接體振動響應(yīng)作用最明顯，大小連接體在耦合流場和平穩(wěn)流場中的振幅較脈動流場分別減小了18.5％，

10、1.7％和62.2％，59％。在耦合流場中，沿彈性管束逆時針方向，中間管束上25Hz的振動加速度幅值呈先減小再增大的趨勢，43Hz的振動加速度幅值呈先增大后減小的趨勢;外側(cè)管束上24Hz的振動加速度幅值呈逐漸增大的趨勢，43Hz的振動加速度幅值呈先增大后減小的趨勢;中間管束振動響應(yīng)成分復(fù)雜，含高頻振動響應(yīng)成分較多，導(dǎo)致振動雷諾數(shù)在中間管束上先減小后增大，在外側(cè)管束上逐漸增大。分布式脈動流可以保證彈性管束疲勞強度并實現(xiàn)振動強化換熱，彈性管