弹性管束换热器壳程分布式脉动流诱导管束振动研究

发布时间：2017-11-16 15:31

  本文关键词：弹性管束换热器壳程分布式脉动流诱导管束振动研究

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【摘要】：换热器是实现热量交换的设备。弹性管束换热器利用流体诱导弹性管束振动实现复合强化传热,为无源强化传热技术在换热器中的应用开辟了新的研究方向。目前,实际工程应用中的弹性管束换热器存在各排弹性管束振动不均的现象。导致部分弹性管束易发生振动破坏,部分弹性管束换热效果较差,影响换热器的使用寿命和换热效率。本文从单排/多排弹性管束在均匀壳程流场诱导下的振动响应出发,研究了换热器内弹性管束在实际壳程流场诱导下的振动响应。设计了分布式脉动流发生装置,并对壳程流场与分布式脉动流耦合诱导下弹性管束的振动响应进行了数值分析和实验研究。研究工作对实现弹性管束换热器管束振动的有效激发和控制具有重要意义。本文的主要研究工作归纳如下：(1)建立了单排/多排弹性管束及其均匀壳程流体域的几何模型,基于双向流固耦合的顺序求解法,得到了均匀壳程流场入口流速、管束结构参数、管程流体和管排数对弹性管束振动响应的影响。研究表明,弹性管束的振动主要由壳程流体所诱发,管程流体对弹性管束振动响应的影响较小。在均匀壳程流场的诱导下,弹性管束两不锈钢连接体主要表现为面内振动,当流速较低时,振动存在明显的二倍谐频。弹性管束的结构参数对监测点振动响应的影响显著,管束截面外径影响振动的频率和强度,管束壁厚影响振动的强度,但不影响振动的频率。均匀壳程流场诱导多排弹性管束振动时,各排弹性管束相互影响,底层部分弹性管束的振动强度较大、频率较高,顶层部分弹性管束的振动强度较小、频率较低。(2)建立了换热器内实际壳程流体域的几何模型,得到了实际壳程流场入口流速、管排间距、管排数对各排弹性管束振动响应的影响,并得到了实际壳程流场诱导下各排弹性管束的传热系数。提出的网格划分策略,大幅降低了网格划分的数量,提高了网格划分的质量,并能方便地对各分割域进行结构和网格的调整。提出的粗算加精算的分步计算策略,大幅降低了计算时间,提高了计算效率。研究表明,在实际壳程流场的诱导下,各弹性管束不锈钢连接体的振动均主要表现为面外振动。当壳程流场入口流速较低时,各弹性排管束两不锈钢连接体的振幅基本一致；当壳程流场入口流速较高时,与小不锈钢连接体的振动相比,各排弹性管束大不锈钢连接体的振动较剧烈。不同管排数条件下,弹性管束上两不锈钢连接体的振幅随管束编号的变化均呈现先增加后减小的趋势。不同入口流速条件下,各排管束相同位置监测点的最大相对误差均高于10%,振动的均匀性较差。大不锈钢连接体的幅值受管排间距的影响较大,小不锈钢连接体的频率受管排间距的影响较大。实际壳程流场诱导弹性管束的振动,能够在低流速(或低雷诺数)下大幅提高各排弹性管束的传热系数。(3)设计了弹性管束换热器诱导管束振动的壳程分布式脉动流发生装置。通过对流道内不同扰流体流体绕流的研究,确定三角柱为扰流体,并对分支管流道结构进行了设计。与方柱和圆柱扰流体相比,三角柱扰流体尾流形成的脉动流效果较好,且尺寸调节灵活、加工制造方便。通过在流道中增设导流壁,拓宽了入口流体方向角的参数范围,更易在扰流体的尾流形成脉动流。研究发现,流体的流动参数和流道结构参数对形成脉动流的频率和强度具有重要影响,当存在具有一定流速的外部流场时,形成脉动流的频率具有一定程度的降低。分布式脉动流发生装置的分支弯管结构,一方面使竖管内的流体易于流入分支管,另一方面弱化了壳程流体对形成脉动流的影响。不同结构参数和不同入口流速条件下,分布式脉动流发生装置各分支管出口流量的最大相对误差为7.3%,正常形成脉动流的频率和强度的最大相对误差分别为8.33%和5.64%,各分支管形成脉动流的均匀性较好。(4)建立了换热器壳程含脉动流发生装置流体域的整体几何模型,得到了各排弹性管束在壳程流场与分布式脉动流耦合诱导下的振动响应及各排弹性管束的传热系数；搭建了两场流体耦合诱导弹性管束振动测试实验台,测试了换热器内各排弹性管束在壳程流场和分布式脉动流耦合诱导下的振动响应。数值研究表明,各排弹性管束的振动强度基本一致,弹性管束两连接铜管均主要表现为面外振动,监测点的振动位移曲线存在明显的“双峰”现象；监测点的振动强度随入口流速的增加而增加,同一监测点不变频率的幅值高于可变频率的幅值,同一流速下大连接管的振动强度高于小连接管的振动强度。此外,在壳程流场与分布式脉动流耦合诱导下,换热器内各排弹性管束的换热系数大幅提高。实验研究表明,入口流速较高时弹性管束的振动强度较高,壳程流体诱导下各排弹性管束的振动不均匀,存在部分弹性管束振动较剧烈,部分弹性管束振动不明显的现象。壳程流场与分布式脉动流耦合诱导下,两连接铜管的主要振动频率有两个,其中一个频率值不受入口流速的影响,称为不变频率；另一个频率值随入口流速的增加而增加,称为可变频率。分布式脉动流发生装置能够基本实现对振动的有效激发和控制,实验测试数据与理论分析结果基本一致。在分布式脉动流参与诱导下弹性管束的振动强度明显提高,且各排弹性管束的振动强度基本一致。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK172
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本文编号：1192829