卡曼漩渦

1、卡曼漩渦對(duì)換熱器的影響卡曼漩渦對(duì)換熱器的影響摘要對(duì)管殼式換熱器管束常見的振動(dòng)破壞形式進(jìn)行了歸納對(duì)管束振動(dòng)的機(jī)理進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的防振措施關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞管殼式換熱器管束振動(dòng)防振措施管殼式換熱器廣泛用于化工、煉油、熱能動(dòng)力等工業(yè)行業(yè)是一種通用性的過程設(shè)備[1]。為了提高換熱性能應(yīng)盡可能地提高流速而流速越高就越容易誘發(fā)管束的振動(dòng)[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)因流體誘導(dǎo)振動(dòng)引發(fā)換熱器局部失效甚至整體報(bào)廢的換熱器幾乎占損壞的30%。需要在設(shè)計(jì)中采取必要

2、的措施使管子對(duì)激勵(lì)的響應(yīng)限制在安全范圍以內(nèi)即在換熱器的設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)避免發(fā)生由振動(dòng)引起的破壞。由于卡曼渦街現(xiàn)象的存在，在管子背面兩側(cè)產(chǎn)生周期性的反對(duì)稱漩渦尾流，尾流的交替產(chǎn)生與脫落產(chǎn)生于流向的激振力，當(dāng)脫落的頻率接近換熱管的固有頻率時(shí)，將會(huì)引起管束機(jī)械性的共振現(xiàn)象，使換熱器產(chǎn)生較大的機(jī)械破壞。以往在進(jìn)行測(cè)定卡曼渦街現(xiàn)象數(shù)值時(shí)，運(yùn)用最早的是尾流振蕩模型實(shí)驗(yàn)來分析漩渦脫落誘發(fā)的振動(dòng)原因。但據(jù)目前學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，尾流振蕩模型在實(shí)驗(yàn)過程中，其范圍受

3、到一定的限制，當(dāng)雷諾數(shù)在較低的情況下，其理論數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差不大，基本接近；但當(dāng)雷諾數(shù)在較高的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩者數(shù)據(jù)相差甚大。經(jīng)分析，當(dāng)在雷諾數(shù)較大工狀下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，流經(jīng)換熱管后的尾流不呈二維流動(dòng)，而是呈動(dòng)態(tài)的三維隨機(jī)流，是一個(gè)隨機(jī)力函數(shù)，沿整個(gè)換熱管同時(shí)脫落，尾流流動(dòng)呈現(xiàn)出復(fù)雜的隨機(jī)性質(zhì)。尾流作用于換熱管上的載荷也隨機(jī)發(fā)生變化。這就意味著雷諾數(shù)在較高的情況下不能運(yùn)用尾流振蕩模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，否則測(cè)定的流體誘導(dǎo)振動(dòng)值會(huì)有不小的差值產(chǎn)生

4、。針對(duì)兩相流誘發(fā)管束振動(dòng)機(jī)理的研究，由于其隨機(jī)產(chǎn)生的復(fù)雜性，相關(guān)的研究目前尚處在初期探索階段，Pettigrew等[3]也只對(duì)換熱器管束相互之間的距離、換熱器管束中的含氣率、換熱器在雷諾數(shù)不同情況下的工作狀態(tài)進(jìn)行了有限的研究，同時(shí)對(duì)氣液兩種不同介質(zhì)時(shí)兩相流中串列雙圓柱的誘發(fā)振動(dòng)特性機(jī)理的研究，有助于理解管束中管子之間相互影響機(jī)理，對(duì)于進(jìn)一步研究復(fù)雜管束中的流體誘發(fā)振動(dòng)現(xiàn)象具有重要意義。1流體誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理流體誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理管殼式換熱器內(nèi)流體

5、的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜:有管束上的橫向流、軸向流、旁通流等管束兩端的進(jìn)出口有滯留區(qū)。各流路流體的流速和方向不斷的發(fā)生不規(guī)則的變化使傳熱管處在不均勻的力場(chǎng)中受到流體流動(dòng)的各種激發(fā)力的作用極易產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)誘導(dǎo)振動(dòng)的頻率與換熱器的固有頻率接近時(shí)換熱器就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。流體橫掠換熱管時(shí)如果流動(dòng)雷諾數(shù)大到一定程度就會(huì)在管子背面兩側(cè)產(chǎn)生周期性交替脫落的反對(duì)稱漩渦尾流即卡曼渦街。漩渦的交替產(chǎn)生和脫落使管子兩側(cè)產(chǎn)生垂直于流向的周期性激振力導(dǎo)致管子發(fā)生振動(dòng)[4

6、]其振動(dòng)頻率等于漩渦脫落頻率。當(dāng)管徑一定時(shí)流速越大流體誘導(dǎo)振動(dòng)頻率也越大。當(dāng)漩渦脫落頻率接近或等于管子固有頻率時(shí)就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。紊流中脈動(dòng)變化的壓力和速度場(chǎng)不斷供給管子能量當(dāng)紊流脈動(dòng)的主頻率與管子的固有頻率相近或相等時(shí)管子吸收能量并產(chǎn)生振動(dòng)[5]。通常認(rèn)為當(dāng)管子間距較大時(shí)卡曼漩渦可以預(yù)防流體誘導(dǎo)振動(dòng)的產(chǎn)生。2緊固零件緊固零件(1)緊固拉桿首先拉桿的固定端應(yīng)設(shè)在靠近殼程介質(zhì)進(jìn)口端的管板上以更好地起到抵擋沖擊的作用其次設(shè)計(jì)和制造中保證足

7、夠的拉桿孔深和螺紋深度拉桿要擰緊螺孔。管束從組裝臺(tái)完工再試壓在吊裝運(yùn)輸及裝進(jìn)和拉出專用試壓殼體時(shí)都會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)因此試壓后裝進(jìn)殼體前應(yīng)最后一次擰緊拉桿逼緊拉桿末端的兩個(gè)螺母[1012]最好把兩個(gè)螺母點(diǎn)焊住。(2)定距管與折流板之間點(diǎn)焊鋼板原材料運(yùn)輸?shù)踹\(yùn)氧乙炔焰或等離子切割都會(huì)使之產(chǎn)生不平整如果折流板沒有經(jīng)過逐塊調(diào)平就直接疊裝在一起即便通過壓力機(jī)使各折流板之間能緊密貼合后再在外圓定位焊接使之成為一件整體去鉆管孔一旦這件整體鉆孔后車削外圓時(shí)把焊

8、縫車去各塊折流板還是會(huì)回彈變形?；蛘呒幢阏哿靼逶阢@孔前經(jīng)過調(diào)平因?yàn)樵阢@管孔時(shí)折流板的底部不可能大面積墊起只是在折流板的外圓周附近周向均布幾個(gè)支點(diǎn)鉆孔的推進(jìn)力也就會(huì)使折流板壓彎變形折流板的直徑越大、折流板的厚度越薄、疊裝定位焊在一起的折流板數(shù)量越小折流板壓彎變形就越嚴(yán)重。因此折流板不可能是完全平整的[1314]即便定距管經(jīng)過車削加工保證長(zhǎng)度一致管束裝配完后定距管與折流板之間還是存在不完全接觸的情況定距管與折流板之間通過點(diǎn)焊固定是提高管束整

9、體結(jié)構(gòu)剛性降低振動(dòng)的有效措施。3改進(jìn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)結(jié)構(gòu)(l)采用折流桿結(jié)構(gòu)采用桿狀或條狀支撐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的折流板不僅可防振而且可以強(qiáng)化傳熱、降低流體阻力、減少污垢。(2)采用螺旋折流板結(jié)構(gòu)采用螺旋折流板可以降低流體流過管束的沖力但使用一端進(jìn)、另一端出的E型單程殼體時(shí)采用螺旋折流板管束也可能造成管束失效因?yàn)殚g距(30mm)[15]較窄的螺旋折流板結(jié)構(gòu)將換熱管緊箍剛性很強(qiáng)不會(huì)受壓失穩(wěn)而彎曲變形協(xié)調(diào)能力低熱膨脹差產(chǎn)生的應(yīng)力完全作用在管頭上。管頭的抗脫強(qiáng)

10、度需要相應(yīng)提高。(3)雙弓折流板當(dāng)殼體直徑較大時(shí)可選擇雙弓形折流板代替單弓形折流板分流流體為兩個(gè)流道。4結(jié)語結(jié)語國內(nèi)外的科研工作者針對(duì)換熱器管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究，目前在理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)旋渦脫離激振和流體彈性振動(dòng)的機(jī)理做了大量的研究分析工作，分別取得了一定的進(jìn)展，并提出了一些新的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)指導(dǎo)換熱器的設(shè)計(jì)過程起到了較好的作用。但是由于通過管束間流動(dòng)的復(fù)雜性，流體誘導(dǎo)振動(dòng)時(shí)有非常多的未知因素以及換熱元件的磨損和破壞