二維串列雙圓柱誘導(dǎo)振動(dòng)及傳熱特性研究.pdf

1、早在20世紀(jì)70年代，振動(dòng)強(qiáng)化換熱就已引起人們的關(guān)注，但由于受到技術(shù)的限制，換熱器管束的有效振動(dòng)的實(shí)現(xiàn)存在一定的難度，因此學(xué)術(shù)界沒有對(duì)此展開過多的研究。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，振動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法也得到發(fā)展，振動(dòng)強(qiáng)化換熱這一課題也在逐漸興起，而如果管束的振動(dòng)需要外來能量提供激勵(lì)，換熱器在提高換熱的同時(shí)，也需要消耗外來的能量，因此，從節(jié)能的角度來講，這種靠外部激勵(lì)的方式來達(dá)到振動(dòng)并不是最有效的；彈性管束結(jié)構(gòu)的提出很好的解決了這一問題，彈性管

2、束即是在流體誘導(dǎo)下管束產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)既不會(huì)對(duì)管束產(chǎn)生破壞，又可以提高管束的換熱系數(shù)，且不需要消耗外來的能量，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的?；谶@一背景，本文對(duì)雙圓柱的振動(dòng)強(qiáng)化換熱及流體誘導(dǎo)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究，所得到的結(jié)論可以為彈性管束換熱器的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)，主要研究?jī)?nèi)容分如下：
　　 首先針對(duì)串列雙圓柱的不同排列方式對(duì)對(duì)流換熱效果的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算了不同間距比下雙圓柱的面均Nu數(shù)，并分析了不同間距比L/D(L為雙圓柱的

3、中心距，D為圓柱直徑)下雙圓柱繞流時(shí)的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同情況，得到了靜止和振動(dòng)條件下的雙圓柱換熱效果及協(xié)同角隨間距比變化的規(guī)律，雙圓柱排列間距不同時(shí)，換熱效果不同，當(dāng)間距比L/D＞3.5后，協(xié)同角減小，換熱效果明顯增強(qiáng)且隨后趨于平穩(wěn)，因此，在對(duì)換熱管束的排列間距進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮選取L/D＞3.5。
　　 基于間距比與換熱的關(guān)系，建立換熱效果較好的間距比L/D=4.0的二維串列雙圓柱數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)其進(jìn)行了振動(dòng)強(qiáng)化換熱分析，

4、分別考慮了振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率及振幅大小對(duì)換熱效果的影響。數(shù)值分析結(jié)果表明，當(dāng)圓柱以不同振動(dòng)方向振動(dòng)時(shí)，換熱效果相差不大，振動(dòng)方向?qū)λ俣葓?chǎng)和溫度場(chǎng)協(xié)同程度影響較??；而雙圓柱振動(dòng)頻率及振幅大小對(duì)換熱效果的影響則很明顯，雙圓柱強(qiáng)化換熱百分比隨振幅和頻率的增大而增大，振幅和頻率的增大也使得場(chǎng)協(xié)同程度得到提高，且在較高頻率時(shí)，振幅對(duì)圓柱的強(qiáng)化換熱百分比的影響更顯著。
　　 對(duì)間距比L/D=4.0的二維串列雙圓柱在不同流速下的誘導(dǎo)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)

5、行了分析，得到了雙圓柱橫向振動(dòng)位移幅值隨流速變化的規(guī)律，在本文計(jì)算范圍內(nèi)，雙圓柱的誘導(dǎo)振動(dòng)位移幅值存在一個(gè)最大值，該最大值出現(xiàn)在約化速度5.676左右，當(dāng)入口流速低于此值時(shí)，位移幅值隨著流速的增大而增大，而當(dāng)入口流速高于此值后，位移幅值則隨流速的增大而減小。同時(shí)，雙圓柱在不同流速下會(huì)發(fā)生馳振、拍振及單一渦激振動(dòng)，隨著流速的增加，雙圓柱完成馳振-拍振-渦激振動(dòng)的轉(zhuǎn)化。馳振時(shí)，雙圓柱振動(dòng)頻率小于渦脫落頻率；當(dāng)發(fā)生拍振時(shí)，振動(dòng)會(huì)存在多個(gè)相互競(jìng)

6、爭(zhēng)的頻率；當(dāng)雙圓柱做單一的渦激振動(dòng)時(shí)，橫向振動(dòng)頻率和渦脫落頻率相等。
　　 對(duì)間距比L/D=4.0的二維串列雙圓柱不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的誘導(dǎo)振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析，主要考慮了結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量比對(duì)流體誘導(dǎo)振動(dòng)的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著剛度的減小，位移幅值增大，但當(dāng)剛度減小到一定值后，位移幅值基本保持不變，此時(shí)雙圓柱的誘導(dǎo)振動(dòng)出現(xiàn)了“自限定”現(xiàn)象，而當(dāng)剛度增加時(shí)，雙圓柱橫向振動(dòng)頻率隨著剛度的增加而減小，振動(dòng)規(guī)律也由規(guī)則簡(jiǎn)諧曲線轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的振