換熱器管束動(dòng)態(tài)特性分析及流體誘導(dǎo)振動(dòng)研究.pdf

1、隨著工業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)生產(chǎn)中所用的管殼式換熱器越來越趨向大型化，管束無支撐跨度增大，剛性變差，為了提高傳熱效率，流體流速也越來越大，因而換熱器流體誘發(fā)振動(dòng)的破壞現(xiàn)象日見增多。據(jù)報(bào)道，迄今國內(nèi)外某些工廠的大型換熱器因振動(dòng)而導(dǎo)致破壞的實(shí)例屢見不鮮，破壞的嚴(yán)重程度十分驚人。因此，換熱器內(nèi)流體誘導(dǎo)振動(dòng)的研究已成為當(dāng)前的重要課題。 到目前為止，由于換熱器內(nèi)流體誘導(dǎo)振動(dòng)的復(fù)雜性和計(jì)算方法的不成熟性，流體誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理、換

2、熱器管束動(dòng)態(tài)特性和換熱器管束發(fā)生大幅振動(dòng)的判別標(biāo)準(zhǔn)等雖經(jīng)許多科學(xué)家大量研究，仍然有很多不清楚和不完善的地方。本文將對換熱器管束動(dòng)態(tài)特性、流體誘導(dǎo)振動(dòng)的激勵(lì)機(jī)理(漩渦脫落、流體彈性激振)、換熱器管束振動(dòng)控制及偏微分方程的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行研究，為保證換熱器等化工設(shè)備安全運(yùn)行、節(jié)約投資進(jìn)行有益的探討。主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1. 采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究對換熱器管束的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了較為全面分析，內(nèi)容包括換熱器管束支撐構(gòu)件的彈性

3、、溫度引起的預(yù)應(yīng)力、管束內(nèi)流體的流速、管束內(nèi)外流體與換熱器管束的耦合作用和換熱管與折流板孔之間的間隙對換熱器管束動(dòng)態(tài)特性的影響。為準(zhǔn)確判斷流體誘導(dǎo)振動(dòng)奠定基礎(chǔ)。具體工作如下： 根據(jù)固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用有限元法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散，殼體、固定管板、折流板采用空間殼單元模擬、換熱管采用空間梁單元模擬，分別建立了精細(xì)的有限模型和常規(guī)的簡化有限元模型，對管束動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。探討了彈性支撐和溫度預(yù)

4、應(yīng)力對固定管板式換熱器管束動(dòng)態(tài)特性的影響，并對常規(guī)簡化模型計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)行了研究。 利用ANSYS程序的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言 (APDL)，對模型進(jìn)行智能化網(wǎng)格剖分、材料參數(shù)設(shè)定、模型幾何參數(shù)設(shè)置，完成了充滿液體單管的建模和四種節(jié)徑比的正方形排列管束的建模，并采用流固耦合法進(jìn)行了動(dòng)特性的計(jì)算；繪制了管束在水中基階振型對應(yīng)的頻率和頻率帶寬隨節(jié)徑比的變化圖，得出管束在液體中每階振型存在一個(gè)2n頻率帶，頻率帶寬隨節(jié)徑比減小而增大隨密度增大而

5、增大，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。 通過建立換熱管在內(nèi)流激發(fā)下的振動(dòng)方程，導(dǎo)出了換熱管在內(nèi)部流激發(fā)下固有頻率的解析表達(dá)式。并由此定義了換熱管內(nèi)流離心力對固有頻率影響的折減系數(shù)。討論了換熱管內(nèi)流對固有頻率的影響，得出了一些有益的結(jié)論。 2. 利用計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS/FLOTRAN CFD，對粘性不可壓縮流體的固定圓管繞流進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過快速傅立葉變換，得到了升力的功率譜，繼而求出漩渦脫落頻率，并與傳統(tǒng)的卡曼漩渦分離理

6、論進(jìn)行了對比。二者趨勢相同、數(shù)值接近，說明本文方法可用于計(jì)算圓管繞流漩渦脫落的頻率。 3. 利用計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS/FLOTRAN CFD和逐步積分法，提出了一種計(jì)算流固耦合的方法。完成了同時(shí)考慮縱橫兩向彈性支撐圓管繞流漩渦脫落誘導(dǎo)振動(dòng)的數(shù)值模擬，并通過快速傅立葉變換，得到了彈性支撐圓管的升力及彈性支承圓管橫向位移響應(yīng)的功率譜。通過計(jì)算結(jié)果分析，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。 4. 流體彈性不穩(wěn)定性研究：(1) 利用L

7、ever與Weaver提出的“流管”模型，采用連續(xù)性方程和能量方程對管束流體彈性不穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，推出了對比流速與質(zhì)量阻尼之間的關(guān)系。用能量的觀點(diǎn)解釋了流體力與能量（或發(fā)散）衰減的關(guān)系。該方法的優(yōu)點(diǎn)是采用能量方程分析流體力，便于實(shí)驗(yàn)分析流體力以及分析其它因素對流體力的影響。(2) 利用Connors對流體力的觀察結(jié)果，修正了由Lever與Weaver的“流管”模型得到的對比流速與質(zhì)量阻尼之間的關(guān)系。所得結(jié)論更符合Paidoussis，

8、Chen等人經(jīng)過數(shù)學(xué)分析與計(jì)算指出的流體彈性不穩(wěn)定在質(zhì)量阻尼參數(shù)mδ/ρd02較小時(shí)，主要取決于流體慣性機(jī)理，而當(dāng)對比流速U0/fd較大時(shí)，則取決于位移機(jī)理。 5. 根據(jù)換熱器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)通過對固定管板式換熱器管束在五種工況下的響應(yīng)計(jì)算，研究了流體力的作用位置和流體力相位對換熱器管束響應(yīng)的影響，得出一些結(jié)論，并對管束振動(dòng)控制進(jìn)行了探討。 6. 計(jì)算方法研究：基于單點(diǎn)子域精細(xì)積分的思想，針對拋物線型熱傳導(dǎo)方程初邊值問題，提出