分布式脉动流诱导锥螺旋弹性管束振动响应研究

发布时间：2020-06-07 05:38

【摘要】：弹性管束利用流体诱导振动实现无源强化换热,在换热器中有良好的应用前景。在相同条件下,锥螺旋弹性管束具有疲劳强度和换热效率高等特点,在弹性管束换热器中有一定的优势。而弹性管束的振动诱导和控制是其在一定疲劳寿命下实现强化传热的重要保证,利用分布式脉动流对弹性管束进行振动诱导和控制已在平面弹性管束换热器中得到验证。本文对锥螺旋弹性管束及其分布式脉动流发生装置进行结构参数设计并进行仿真分析,对换热器内壳程流场及耦合流场下的管束振动响应进行数值分析,搭建实验台测试耦合流场诱导下锥螺旋弹性管束的振动响应。研究工作对弹性管束振动的诱导和控制以及锥螺旋弹性管束换热器的设计具有重要意义。本文的主要研究工作归纳如下:(1)设计了锥螺旋弹性管束并建立了有限元分析模型,仿真分析了锥螺旋弹性管束的固有特性及谐响应特性,为分布式脉动流发生装置中绕流体尺寸的选择提供了依据。在管内流固耦合作用下,锥螺旋弹性管束各阶固有频率下降。在管内外流固耦合作用下其固有频率进一步下降,其中低阶固有频率下降幅度较大。脉动流激励频率应接近锥螺旋弹性管束的某阶固有频率以加强管束振动幅度。(2)设计了分布式脉动流发生装置并建立了几何模型和内部流场仿真分析模型,分析了绕流体纵向尺寸和入口流速等参数对脉动流频率及强度的影响。在相同的入口流速下,随着绕流体纵向尺寸增大,分布式脉动流发生装置同一分支管脉动流强度先增大后减小,而其频率先减小后增大。分布式脉动流发生装置不同分支管内产成的脉动流频率和强度的相对变化量较低,脉动流的一致性较高。(3)建立了换热器壳程流场与锥螺旋弹性管束的流固耦合分析模型,仿真分析了不同入口流速下管束监测点的振动响应。锥螺旋弹性管束的振幅受壳程入口流速的影响较大,振动主频受入口流速的影响较小。在相同入口流速下,各排锥螺旋弹性管束的振幅从上到下先增大后减小,在壳程流场诱导下各排锥螺旋弹性管束的振动均匀性较差。(4)建立了锥螺旋弹性管束在脉动流场和壳程流场耦合作用下的仿真分析模型,对换热器内锥螺旋弹性管束在耦合流场诱导下的振动响应进行了仿真分析,分析了分布式脉动流发生装置在激励各排管束振动时的作用,并进行了实验研究。在z1合流场的作用下,各排锥螺旋弹性管束的振动均匀性较好。分布式脉动流发生装置可以实现对管束振动的有效激励和控制,提高了锥螺旋弹性管束的振动强度和各排锥螺旋弹性管束的振动均匀性。
【图文】：

，象严重，一些改进设计也未从根本上改变平面弹性管束的支撑结构，不均匀的应力逡逑分布不可避免地对管束的疲劳寿命产生较大影响，同时平面弹性管束的应力集中逡逑现象较明显而且管内的二次流也很简单。逡逑针对平面弹性管束存在的一些问题并在螺旋结构强化换热的启发下，闫柯［４５］逡逑在平面弹性管束的基础上对其结构进行了优化，提出了一种全新的弹性管束结构，逡逑如图１－２所示，锥螺旋弹性管束由两根紫铜螺旋管和一个连接体ＩＩＩ组成，管内流体逡逑从１处进入，经过连接体ＩＩＩ折流后从ＩＩ处流出，螺旋结构使其刚度比平面弹性管束逡逑还小。锥螺旋弹性管束改善了应力分布，同时管束的螺旋曲率变化以及截面椭圆率逡逑变化致使管内形成强烈的二次流，可以实现更强的复合强化传热。锥螺旋弹性管束逡逑沿ｚ轴的振动为纵向振动，而在ｘ－ｙ面内的振动为横向振动。逡逑文献［４５］对比分析了邋１０种利用二次流效应来强化换热的管束或诱导元件的换逡逑热性能及阻力特性，与其它换热元件相比，空间螺旋管束的换热强化效果显著且增逡逑加的阻力较小。在雷诺数较低时，螺旋管束的换热性能良好且阻力较小，同时多排逡逑锥螺旋弹性管束之间交叉排列，便于振动的形成和持续，，锥螺旋弹性管束实现了管逡逑内外强化传热的结合，是复合强化换热技术的一种新应用。逡逑

由于换热器内各排管束在管壳程流体的共同作用下，振动一致性较差，靠近壳逡逑程进口的管束振动幅度较大，而远离进口一端的管束振动较微弱，独立式脉动流发逡逑生装置依然存在各排管束振动不均的现象。因此季家东等＾５９］设计了图１－６所示用逡逑于平面弹性管束换热器的分布式脉动流发生装置，该装置的分支管采用弯管结构，逡逑方便竖管内的流体进入分支管，同时减轻了壳程流体对管内脉动流的影响。壳程流逡逑体一部分从平稳流出口进入换热器内部，另一部分从分支管流出产生脉动流激励逡逑管束振动，该装置将壳程流体进口管与脉动流发生装置合二为一，进一步节约了能逡逑源与成本，分析结果表明各分支管出口流量大体一致，形成脉动流的强度和频率也逡逑很接近，基本可以实现各排弹性管束均匀振动。逡逑＼逦＼邋．脉动—器逡逑图１－６分布式脉动流发生装置［５８］逡逑综上所述，脉动流发生装置在几十年的发展完善中结构发生了很大变化，从一逡逑个脉动流出口冲击底排管束到各分支脉动流出口诱导各排弹性管束振动
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK172

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本文编号：2700930