弹性管束流体诱导振动强化换热与疲劳强度研究
发布时间:2017-12-07 12:21
本文关键词:弹性管束流体诱导振动强化换热与疲劳强度研究
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【摘要】:流体诱导振动强化换热是依靠流体横掠弹性传热元件时诱发管束产生的振动,实现无源振动强化换热。然而,振动易导致管束发生疲劳断裂。因此,同时兼顾流体诱导弹性管束振动强化换热与疲劳强度显得尤为重要。本文针对平面弹性管束换热器壳程流体诱导管束振动,利用场协同理论和多轴疲劳分析方法深入研究流体诱导振动强化换热与管束疲劳强度,建立了流体诱导弹性管束振动强化换热经验关系式,提出了弹性管束振动疲劳强度判定图,实验测试了弹性管束在分布式脉动流场、耦合流场以及平稳流场中的振动响应,对三种流场中弹性管束的振动强化换热进行了数值分析。研究工作对弹性管束换热器设计和应用具有重要的意义。本文的研究工作归纳如下:(1)不计管束的弹性和振动,数值计算了雷诺数200-1000范围内单排及多排刚性管束的壳程对流换热,分析了管间距20-30mm、管排距50-70mm时,流体雷诺数和结构参数对刚性管束壳程对流换热的影响,利用Matlab回归分析建立了多排刚性管束换热经验关系式。研究表明,壳程压降受雷诺数的影响更大,通过增大雷诺数提高管束换热系数需要考虑能耗效率的影响。在本文研究的参数范围内,管排距大于管排距临界值(3.25D-4D),可以忽略管排距对壳程对流换热的影响。管间距主要影响壳程压降的变化,换热性能表明管间距20mm是目前结构参数范围内较优的管束结构配置。综合结构参数及流体雷诺数对多排刚性管束壳程对流换热的影响,拟合得到多排刚性管束对流换热经验关系式为,Nu=0.036Re0.72Prf0.36(Prf/Prw)0.25。(2)采用双向流固耦合顺序求解法,数值计算了壳程流体诱导弹性管束振动强化换热,利用场协同理论分析了弹性管束流体诱导振动强化换热以及在不同入口速度和结构参数下的换热性能,基于量纲分析法推导了包含流体雷诺数和振动雷诺数的流体诱导弹性管束振动强化换热经验关系式。研究表明,管外振荡速度以及场协同水平的改善是流体诱导振动强化换热的重要因素,其中,场协同水平的改善起主导作用,当管外场协同水平提高6.0]%时,弹性管束努塞尔数提高了6.5%。在入口速度0.2-0.5m/s范围内,弹性管束在流体诱导振动作用下努塞尔数分别提高了8.26%,6.07%,5.67%和3.91%,强化换热数值随入口流速的增大而减小。计算得到最大和最小PEC数值分别为1.08和1.03,较小的PEC差异表明有时可采用较高的入口速度以提高弹性管束的换热能力。中间两根管束具有更好的强化换热能力,当入口速度为0.2m/s和0.5m/s时,中间管束努塞尔数分别提高了 12.97%和4.58%,两侧管束努塞尔数分别提高了5.37%和2.4%。流体诱导弹性管束振动强化换热数值与振动雷诺数具有相同的变化趋势,随着管壁厚度的减小和管间距的增大而增大,管壁厚度0.75mm的弹性管束努塞尔数最大提高了 14.3%,管间距30mm的弹性管束努塞尔数最大提高了28.8%。在流体诱导振动作用下,弹性管束管排距的最大临界值从4D增大到6D。基于不同流体参数和结构参数的振动强化换热结果,拟合得到具有流体雷诺数和振动雷诺数共同作用的流体诱导弹性管束振动强化换热经验关系式为,(Nuv/Nu)-1=0.036(Rev/Re)1.584(δ/D)0.14。(3)计算了弹性管束流体诱导振动下的应力分布,根据危险部位受力特点,对弹性管束进行了多轴应力疲劳分析,基于Von Mises应力准则计算了弹性管束安全系数,提出了弹性管束振动疲劳强度判定图。分析了管壁厚度0.75-1.5mm、管间距20-30mm范围内弹性管束的疲劳强度变化,计算了入口速度1-3m/s范围内弹性管束的流体诱导振动强化换热,得到了弹性管束既满足疲劳强度又实现强化换热的振动参数范围。研究表明,危险部位处于最内侧管束弯折处,承受弯矩和扭矩多重交变循环载荷作用,管束疲劳强度主要受振动幅值的影响。安全系数随振动雷诺数的增大而减小,管壁厚度0.75mm的管束最小安全系数为14.3,管间距30mm的管束最小安全系数为6.7,都处于弹性管束振动疲劳强度判定图中的安全区域,满足管束疲劳强度要求,不会发生疲劳断裂。在本文研究的参数范围内,当Re=100-900时,Rev=147-780是弹性管束既满足疲劳强度又实现强化换热的振动参数范围。(4)实验测试了弹性管束在分布式脉动流场、耦合流场和平稳流场中的振动响应,数值分析了弹性管束的疲劳强度、振动强化换热以及综合换热性能,对比了耦合流场在诱导弹性管束振动强化换热中的优势,提出了CAE辅助分布式脉动流换热器设计流程。研究表明,分布式脉动流对大连接体振动响应作用最明显,大小连接体在耦合流场和平稳流场中的振幅较脉动流场分别减小了 18.5%,1.7%和62.2%,59%。在耦合流场中,沿弹性管束逆时针方向,中间管束上25Hz的振动加速度幅值呈先减小再增大的趋势,43Hz的振动加速度幅值呈先增大后减小的趋势;外侧管束上24Hz的振动加速度幅值呈逐渐增大的趋势,43Hz的振动加速度幅值呈先增大后减小的趋势;中间管束振动响应成分复杂,含高频振动响应成分较多,导致振动雷诺数在中间管束上先减小后增大,在外侧管束上逐渐增大。分布式脉动流可以保证弹性管束疲劳强度并实现振动强化换热,弹性管束在耦合流场中的安全系数最大并实现了较高换热系数,将各排弹性管束换热系数差异由55.3%缩减到2.2%,使得单位流量下弹性管束换热系数提高了3.5倍左右。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TK172
【参考文献】
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,本文编号:1262363
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