彈性管束換熱器殼程分布式脈動流誘導管束振動研究.pdf

1、換熱器是實現(xiàn)熱量交換的設備。彈性管束換熱器利用流體誘導彈性管束振動實現(xiàn)復合強化傳熱，為無源強化傳熱技術在換熱器中的應用開辟了新的研究方向。目前，實際工程應用中的彈性管束換熱器存在各排彈性管束振動不均的現(xiàn)象。導致部分彈性管束易發(fā)生振動破壞，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誘導下的振動響應出發(fā)，研究了換熱器內彈性管束在實際殼程流場誘導下的振動響應。設計了分布式脈動流發(fā)生裝置，并

2、對殼程流場與分布式脈動流耦合誘導下彈性管束的振動響應進行了數(shù)值分析和實驗研究。研究工作對實現(xiàn)彈性管束換熱器管束振動的有效激發(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入口流速、管束結構參數(shù)、管程流體和管排數(shù)對彈性管束振動響應的影響。研究表明，彈性管束的振動主要由殼程流體所誘發(fā)，管程流體對彈性管束振動響

3、應的影響較小。在均勻殼程流場的誘導下，彈性管束兩不銹鋼連接體主要表現(xiàn)為面內振動，當流速較低時，振動存在明顯的二倍諧頻。彈性管束的結構參數(shù)對監(jiān)測點振動響應的影響顯著，管束截面外徑影響振動的頻率和強度，管束壁厚影響振動的強度，但不影響振動的頻率。均勻殼程流場誘導多排彈性管束振動時，各排彈性管束相互影響，底層部分彈性管束的振動強度較大、頻率較高，頂層部分彈性管束的振動強度較小、頻率較低。
　　(2)建立了換熱器內實際殼程流體域的幾何模型

4、，得到了實際殼程流場入口流速、管排間距、管排數(shù)對各排彈性管束振動響應的影響，并得到了實際殼程流場誘導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)格劃分的質量，并能方便地對各分割域進行結構和網(wǎng)格的調整。提出的粗算加精算的分步計算策略，大幅降低了計算時間，提高了計算效率。研究表明，在實際殼程流場的誘導下，各彈性管束不銹鋼連接體的振動均主要表現(xiàn)為面外振動。當殼程流場入口流速較低時，各彈性排管束兩不銹鋼連接體

5、的振幅基本一致;當殼程流場入口流速較高時，與小不銹鋼連接體的振動相比，各排彈性管束大不銹鋼連接體的振動較劇烈。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的變化均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。不同入口流速條件下，各排管束相同位置監(jiān)測點的最大相對誤差均高于10％，振動的均勻性較差。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。實際殼程流場誘導彈性管束的振動，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)設計了彈性管束換熱器誘導管束振動的殼程分布式脈動流發(fā)生裝置。通過對流道內不同擾流體流體繞流的研究，確定三角柱為擾流體，并對分支管流道結構進行了設計。與方柱和圓柱擾流體相比，三角柱擾流體尾流形成的脈動流效果較好，且尺寸調節(jié)靈活、加工制造方便。通過在流道中增設導流壁，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流。研究發(fā)現(xiàn)，流體的流動參數(shù)和流道結構參數(shù)對形成脈動流的頻率和強度具有重要影

7、響，當存在具有一定流速的外部流場時，形成脈動流的頻率具有一定程度的降低。分布式脈動流發(fā)生裝置的分支彎管結構，一方面使豎管內的流體易于流入分支管，另一方面弱化了殼程流體對形成脈動流的影響。不同結構參數(shù)和不同入口流速條件下，分布式脈動流發(fā)生裝置各分支管出口流量的最大相對誤差為7.3％，正常形成脈動流的頻率和強度的最大相對誤差分別為8.33％和5.64％，各分支管形成脈動流的均勻性較好。
　　(4)建立了換熱器殼程含脈動流發(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與分布式脈動流耦合誘導下的振動響應及各排彈性管束的傳熱系數(shù);搭建了兩場流體耦合誘導彈性管束振動測試實驗臺，測試了換熱器內各排彈性管束在殼程流場和分布式脈動流耦合誘導下的振動響應。數(shù)值研究表明，各排彈性管束的振動強度基本一致，彈性管束兩連接銅管均主要表現(xiàn)為面外振動，監(jiān)測點的振動位移曲線存在明顯的“雙峰”現(xiàn)象;監(jiān)測點的振動強度隨入口流速的增加而增加，同一監(jiān)測點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強度高于小連接管的振動強度。此外，在殼程流場與分布式脈動流耦合誘導下，換熱器內各排彈性管束的換熱系數(shù)大幅提高。實驗研究表明，入口流速較高時彈性管束的振動強度較高，殼程流體誘導下各排彈性管束的振動不均勻，存在部分彈性管束振動較劇烈，部分彈性管束振動不明顯的現(xiàn)象。殼程流場與分布式脈動流耦合誘導下，兩連接銅管的主要振動頻率有兩個，其中一個頻率值不受入口流速的影響，稱為不變頻率;另一個頻率值隨入口流速的增加而增加，稱為可變頻