內(nèi)外充液換熱管流體誘導(dǎo)振動雙向流固耦合作用機(jī)理的數(shù)值模擬研究.pdf

1、流體誘導(dǎo)振動和管壁水擊作用往往是導(dǎo)致?lián)Q熱器流動誘導(dǎo)失效的關(guān)鍵因素，而流體誘導(dǎo)振動和管壁水擊作用取決于其流固雙向耦合作用。然而管壁近流場突變會誘發(fā)換熱管的流體誘導(dǎo)振動，而伴隨流體誘導(dǎo)振動產(chǎn)生的管壁邊界振動變形運動又會促使管壁近流場加速突變，這兩種運動的相互耦合使得換熱管流固雙向耦合作用動力學(xué)行為極為復(fù)雜，而揭示內(nèi)外充液換熱管流體誘導(dǎo)振動的雙向流固耦合作用機(jī)理是建立管殼式換熱器流體誘導(dǎo)振動失效理論的前提，然而至今內(nèi)外充液換熱管流體誘導(dǎo)振動的

2、雙向流固耦合作用的數(shù)值模擬在工程上仍是一項技術(shù)挑戰(zhàn)，相關(guān)研究罕見報道，其雙向流固耦合機(jī)理至今尚未完全弄清。針對這一工程背景，本文建立了內(nèi)外充液換熱管雙向流固耦合作用的理論模型和數(shù)值模擬方法，研究了內(nèi)外充液換熱管流體誘導(dǎo)振動的雙向流固耦合的作用機(jī)理，明晰了其關(guān)鍵調(diào)控參數(shù)，為建立換熱器流動誘導(dǎo)失效理論奠定了理論基礎(chǔ)。本文主要取得以下成果：
　　(1)針對內(nèi)外充液換熱管流體誘導(dǎo)振動雙向流固耦合作用過程，經(jīng)合理簡化與假設(shè)，并基于任意拉格朗

3、日-歐拉法（Arbitrary Lagrangian Eulerian），建立了描述內(nèi)外充液換熱管流體誘導(dǎo)振動雙向流固耦合作用過程的全三維理論模型。
　　(2)空管干法模態(tài)分析和流固耦合濕模態(tài)分析對比研究表明：兩種模態(tài)分析的固有頻率和模態(tài)振型存在明顯差異，流固耦合濕模態(tài)分析的固有頻率值普遍低于空管干法模態(tài)分析值，二者相差高達(dá)37％至54%，目前國內(nèi)外廣泛采用的傳統(tǒng)空管干法模態(tài)分析不能真實反映內(nèi)外充液換熱管的流體誘導(dǎo)振動的動力學(xué)特性

4、和振動模態(tài)。
　　(3)首次提出了內(nèi)外充液管固有頻率受控于流體重力作用和流固耦合作用，且隨著流體重力作用和流固耦合作用的增加而降低的機(jī)理科學(xué)假設(shè)，并通過流體重力作用和流固耦合作用對流固耦合模態(tài)分析固有頻率影響規(guī)律的模擬研究，驗證了該科學(xué)假設(shè)的正確性。
　　(4)通過數(shù)值模擬研究建立了內(nèi)外充液換熱管流體誘導(dǎo)振動的動力學(xué)響應(yīng)與關(guān)鍵影響參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究結(jié)果表明其動力學(xué)響應(yīng)隨著脈動流頻率和振幅的增加而增大，且雙向流固耦合作用下內(nèi)

5、外充液換熱管的動力學(xué)響應(yīng)明顯大于單向流固耦合作用下內(nèi)外充液換熱管。
　　(5)提出了內(nèi)外充液換熱管流體誘導(dǎo)振動動力學(xué)響應(yīng)受控于流固雙向耦合作用誘發(fā)的壁面水擊壓力，而其水擊壓力主要取決于進(jìn)口流速的突變和管壁邊界振動變形運動，且隨著進(jìn)口流速的突變和管壁邊界變形運動的增大而增大的動力學(xué)響應(yīng)機(jī)理假設(shè)。
　　(6)揭示了內(nèi)外充液換熱管流固雙向耦合作用機(jī)理，研究結(jié)果表明隨著脈動流頻率和振幅的增加，進(jìn)口流速的突變越大，會誘發(fā)內(nèi)外充液換熱管

6、流體誘導(dǎo)振動增強(qiáng)，而流體誘導(dǎo)振動伴隨的換熱管壁面邊界振動變形運動又會誘發(fā)雙向流固耦合換熱管近壁速度場的突增，這必然進(jìn)一步使換熱管內(nèi)外液體對管壁的水擊壓力增大。由于流體的脈動流動運動誘發(fā)管壁發(fā)生變形運動，而管壁的變形運動又會促使管壁近流場突然加速，正是流體的脈動流動運動和管壁邊界振動變形運動的相互耦合作用使得雙向流固耦合換熱管內(nèi)外流體對管壁的水擊作用隨著脈動流頻率和振幅的增加而增強(qiáng)。
　　(7)準(zhǔn)確預(yù)測內(nèi)外充液換熱管流體誘導(dǎo)振動的動