內(nèi)外充液換熱管流體誘導(dǎo)振動(dòng)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(dòng)和管壁水擊作用往往是導(dǎo)致?lián)Q熱器流動(dòng)誘導(dǎo)失效的關(guān)鍵因素，而流體誘導(dǎo)振動(dòng)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(chǎng)突變會(huì)誘發(fā)換熱管的流體誘導(dǎo)振動(dòng)，而伴隨流體誘導(dǎo)振動(dòng)產(chǎn)生的管壁邊界振動(dòng)變形運(yùn)動(dòng)又會(huì)促使管壁近流場(chǎng)加速突變，這兩種運(yùn)動(dòng)的相互耦合使得換熱管流固雙向耦合作用動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的

2、雙向流固耦合作用的數(shù)值模擬在工程上仍是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，相關(guān)研究罕見報(bào)道，其雙向流固耦合機(jī)理至今尚未完全弄清。針對(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)內(nèi)外充液換熱管流體誘導(dǎo)振動(dòng)雙向流固耦合作用過(guò)程，經(jīng)合理簡(jiǎn)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(dòng)雙向流固耦合作用過(guò)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(duì)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(guó)內(nèi)外廣泛采用的傳統(tǒng)空管干法模態(tài)分析不能真實(shí)反映內(nèi)外充液換熱管的流體誘導(dǎo)振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性

4、和振動(dòng)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(guò)流體重力作用和流固耦合作用對(duì)流固耦合模態(tài)分析固有頻率影響規(guī)律的模擬研究，驗(yàn)證了該科學(xué)假設(shè)的正確性。
　　(4)通過(guò)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(dòng)的動(dòng)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)隨著脈動(dòng)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(dòng)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(dòng)動(dòng)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(dòng)變形運(yùn)動(dòng)，且隨著進(jìn)口流速的突變和管壁邊界變形運(yùn)動(dòng)的增大而增大的動(dòng)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(dòng)流頻率和振幅的增加，進(jìn)口流速的突變?cè)酱?，?huì)誘發(fā)內(nèi)外充液換熱管

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