弹性管束换热器管束的受力及应力分析

发布时间：2017-09-08 19:29

  本文关键词：弹性管束换热器管束的受力及应力分析

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【摘要】：换热器是热量交换的基本设备,并在电力、石油化工等行业中普遍使用。弹性管束换热器中管束以复合曲梁与悬臂梁相结合的形式,改变了传统管壳式换热器管束的刚性固支形式,充分利用管束振动来强化换热。弹性管束换热器的管束可以利用流体诱导振动,实现无源强化换热,但仍存在多排管束振动不均匀的现象,导致部分管束强化换热效果不明显、部分管束振动疲劳破坏等问题。因此,利用流体力激励和控制弹性管束实现预期的振动,达到管束振动强化换热和疲劳寿命的合理匹配的目的,具有重要理论和实用价值。本文针对弹性管束换热器中管束的受力及振动不均匀问题,研究了弹性管束在壳程流体作用下的受力规律及应力分布,并对弹性管束支撑端结构及弹性管束结构进行了改进。本文的主要研究工作如下：(1)建立了单排弹性管束换热器有限元模型,基于流固耦合的顺序耦合方法,利用ANSYS Workbench和CFX分析软件相结合对单排弹性管束上不同位置的受力进行了仿真模拟。研究了同种工况下单排弹性管束上各点的受力、不同工况下单排弹性管束上同一点的受力,得到了弹性管束沿管束的受力分布和管束受力随时间的变化规律。弹性管束沿管束的受力分布不均匀,弹性管束上各位置在各方向的受力呈现周期性。随着壳程流速的增大,弹性管束受力幅值呈增大趋势。(2)建立了多排弹性管束换热器有限元模型,并对多排弹性管束在壳程流体作用下的受力进行了仿真模拟。研究了管排间距以及壳程流速对多排弹性管束受力的影响。管排间距对弹性管束的受力有一定的影响,换热器内各排弹性管束主要受纵向流体力作用。在壳程流速较低时,弹性管束自由端上各监测点受力规律不一致。随着壳程流速的增大,各排管束自由端所受流体力趋于单一变化规律。各排管束的大小自由端受力幅值均不同,壳程来流端弹性管束自由端的受力幅值较大。实验测得了四排弹性管束大小自由端在各壳程流速下的振动加速度频率及幅值,弹性管束大小自由端加速度幅值的实验结果和模拟结果变化规律基本一致。(3)模拟分析了实际工况下弹性管束在壳程流体作用下的应力变化情况,分析了壳程流速对弹性管束最大应力的影响。随着壳程流速的增大,管束的最大应力也随之增大。当壳程流速较大时,来流端弹性管束的最大应力大于远离来流端弹性管束的最大应力。(4)对弹性管束支撑端结构和弹性管束结构进行了改进设计,使弹性管束支撑端的最大应力及弹性管束的最大应力明显减小。
【关键词】：弹性管束 流体诱导振动 管束受力分析
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK172
【目录】：

• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 第1章 绪论13-27
• 1.1 课题研究背景及意义13-14
• 1.2 换热器内流体诱导管束振动的研究现状14-17
• 1.2.1 流体诱导振动机理14-15
• 1.2.2 换热器内弹性管束流体诱导振动仿真分析15-17
• 1.2.3 弹性管束换热器内脉动流诱导管束振动17
• 1.3 弹性管束结构及受力的研究现状17-22
• 1.3.1 弹性管束结构及支撑结构18-21
• 1.3.2 管束的受力及应力分析21-22
• 1.4 管束疲劳强度的研究现状22-24
• 1.5 本文的主要研究内容24-27
• 第2章 单排弹性管束的受力分析27-43
• 2.1 引言27
• 2.2 弹性管束的有限元模型27-29
• 2.3 弹性管束的固有特性29-30
• 2.4 单排弹性管束的受力分析30-41
• 2.4.1 单排弹性管束换热器的仿真模型30-31
• 2.4.2 网格划分31-33
• 2.4.3 弹性管束的受力分析33-38
• 2.4.4 壳程流速对弹性管束受力的影响38-40
• 2.4.5 壳程流速对弹性管束自由端运动轨迹的影响40-41
• 2.5 本章小结41-43
• 第3章 多排弹性管束的受力分析43-57
• 3.1 引言43
• 3.2 多排弹性管束换热器模型43-45
• 3.2.1 多排弹性管束换热器的仿真模型43-44
• 3.2.2 网格划分及边界条件设置44-45
• 3.3 管排间距对弹性管束受力的影响45-47
• 3.4 壳程流速对多排弹性管束受力的影响47-50
• 3.5 多排弹性管束流体诱导振动实验50-54
• 3.6 本章小结54-57
• 第4章 弹性管束的应力分析57-65
• 4.1 引言57
• 4.2 单排弹性管束的应力分析57-59
• 4.3 多排弹性管束的应力分析59-61
• 4.4 弹性管束疲劳寿命的预估61-63
• 4.5 本章小结63-65
• 第5章 弹性管束结构改进设计65-75
• 5.1 引言65
• 5.2 支撑端结构改进设计65-68
• 5.2.1 支撑端结构65-66
• 5.2.2 减荷槽对弹性管束应力的影响66-68
• 5.3 内侧管结构改进设计68-73
• 5.3.1 曲率半径对弹性管束应力分布的影响69-71
• 5.3.2 管束的应力分析71-73
• 5.4 本章小结73-75
• 总结与展望75-77
• 参考文献77-81
• 致谢81-82
• 学位论文评阅及答辩情况表82

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本文编号：815918