两相横向流诱发管束弹性不稳定性研究

发布时间：2020-09-24 18:41

　　管壳式换热器广泛应用于化工、石油、食品、冶金以及制药等过程工业中,管束的振动破坏已经成为管壳式换热器失效的主要原因之一,而流体弹性不稳定性又是流体诱导管束振动的机理中最常见和最具有破坏性的。虽然国内外学者对两相流诱发管束弹性不稳定性进行了大量研究工作,但由于其复杂性,迄今为止,还没有获得广泛适用的两相横向流诱发管束弹性不稳定性的设计准则。本文采用实验与数值模拟相结合的方法研究了两相横向流中管束的流体弹性不稳定性。在实验研究方面,研究了两相流的流动条件与管束的几何特征分别对阻尼和流体弹性不稳定性的影响;发展了一种基于CDM(Conductivity Difference Measurement电导率差异测定)模型对间隙流速进行修正的方法,从管束排列方式的角度出发,获得了含气率低于50%时不稳定常数的推荐值,以期对换热器管束振动的理论研究和工程设计有一定的参考意义。在模拟研究方面,建立了两相流诱导管束振动的双向流固耦合模型,根据管束间流体流动的特征,解释了管束节径比和排列方式对流体弹性不稳定性的影响。实验研究发现:在四种排列管束中,转置正三角形排列管束的阻尼比最大,但其最易发生流体弹性失稳,四种排列管束的稳定性从高到低的顺序为:正三角形、正方形、转置正方形、转置正三角形;对于正方形和正三角形排列管束,推荐不稳定常数为4.0,对于转置正方形和转置正三角形排列管束,当质量阻尼参数小于或等于0.45时,推荐不稳定常数为0.68,反之,推荐不稳定常数为1.5。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK172
【部分图文】：

双向流,耦合分析,求解方法

启用动网格模型。所以，双向流固耦合分析的计算量比较大，时间步长的设置需要同时考逡逑虑收敛精度和时间成本。由于管束振动对流场的影响较大，本文采用双向流固耦合分析进逡逑行流体诱发管束振动的数值模拟研究，其具体的求解方法如图１．３所示，模拟采用Ｆｌｕｅｎｔ逡逑与Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ通过Ｓｙｓｔｅｍ邋Ｃｏｕｐｌｉｎｇ进行双向流固耦合分析。逡逑２邋踢邋Ｇｅｅｒ＊＆２邋键逦Ａ逦２邋０邋Ｅｒ＾＆ｓｖ｝ｑＤｓｔｚ逦＾邋＾逦ｙ邋Ａ逡逑Ｇｅｃｍｅｔ＊Ｙ逦＼逦３邋＿邋Ｍｅｓｈ逦＾邋Ａ逦Ｇｅｗｎｅ＾ｙ逦＞／邋Ａ逦ｊ＼逦３邋ＳｔＡｒｔｏｎ逦＇邋▲逡逑气邋＾邋＾邋Ｓｅｔｕｃ逦Ｚ＾逦／邋Ｉ逦５＞－ｓｉｅｆｒ？邋Ｃｏｉｉｐｉｉｓｇ逡逑＼逦５邋（ｓｉ邋Ｓｏｉｕｔｏｏ逦＾逦＼邋／逦５邋赵邋Ｓｅｔａｐ逦＜，／逡逑Ｉ邋６邋０邋？？ｅｓｄｉｓ逦？邋４逦＼ｊ邋６邋琴邋Ｓｏｉｙｔｗｎ逦＾邋＾逦ｊ逡逑Ｉ逦Ｆｌｕｉｄ邋ｆｌｆｉ＾ＣＦＳｕｅｎｔ）逦７邋０逦４逦／逡逑＼逦ｊ邋＼逦Ｔｒｓｆｉｓｒｅ＾ｔ邋Ｓｎｉ＾ｕｒａｌ逦／逡逑、逦」＼逦Ｊ逡逑图１．３双向流固耦合分析的求解方法逡逑１．３．１．１流体控制方程逡逑流体流动要遵循质量守恒、动量守恒以及能量守恒等物理守恒定律。下文将介绍这几逡逑种守恒定律所对应的控制方程［２８］。逡逑连续性方程即质量守恒定律，其物流意义为流体流进或流出控制体的质量与控制体内逡逑流体质量的变化相等，其对应的微分方程为：逡逑＾－＋Ｖ－（ｐｕ）邋＝邋０逦（１－９）逡逑ｄｔ邋ｖ邋１逡逑式中

流程图,实验系统,流程图,进口部分

２．１实验装置逡逑２．１．１逦实验装置结构逡逑实验采用如图２．１所示的系统，其由出口部分、测试部分、进口部分、离心泵、空逡逑气压缩机、储槽、电磁流量计、转子流量计、压力表、动静态应变测量仪、电导探针以及逡逑计算机等组成，主要实验设备与仪器的规格参数见表２．１。测试部分由管束和流道组成，逡逑管束的结构见图２．２，其具体的结构与排布将在下文介绍。流道横截面尺寸为１２８ｍｍ邋＞＜３００逡逑ｍｍ。为了获得均匀分布的两相流，在进口部分的上下两端分别安装了混合器和气体分布逡逑器，进口部分与气流管道和液流菅道相连，气体从底部流过气体分布器进入混合器，离心逡逑系将储槽中的水泵送到混合器，气液两相在混合器中充分混合，依次流过测试部分和出口逡逑部分后，又流回储罐。逡逑二逡逑＾逡逑１．出口部分２．测试部分３．进口部分４．气体分布器５．电磁流量计６．离心泵７．储槽８．转子流量计９．压逡逑缩机１０

两相横向流诱发管束弹性不稳定性研究

图２．２实验管束结构逡逑

【参考文献】