不等频率管阵流体弹性不稳定性研究

摘要

折流杆换热器因其结构简单，传热高效而被广泛采用，但是换热器中支撑失效的存在会导致管阵中某些换热管固有频率降低，形成不等频率管阵，极易引起流体弹性不稳定性，造成换热器破坏。研究支撑失效和不等频率管阵的流体弹性不稳定性研究对折流杆换热器的设计和运行有重要意义。 本文采用数值计算的方法研究了发生支撑失效时换热管固有频率的变化规律，得到了不同位置和数量支撑失效对换热管固有频率和振型的影响。结果表明，换热管固有频率与支撑失效的位置、数量和支撑的约束方向等因素有关。单支撑失效的时会明显降低换热管的1阶固有频率，最大降幅达62.1%，但对高阶（2阶以上）模态无明显影响；两支撑失效时，换热管模态与两个失效支撑的距离和原约束方向均有关。 利用水洞实验装置和基于高速摄影的可视化采集系统，研究了排布形式为转角三角形和正方形，节径比为1.4和1.28的不等频率管阵中管束的振动特征。提出了频率分散率的概念用来描述管阵的频率特征，得到了不等频率管阵的流体弹性不稳定性特性与频率分散率的关系。结果表明，正方形排布的管阵临界流速随频率分散率的增大而增大，且该现象在两种节径比中均存在，节径比为1.28的8mm管的临界流速增幅达28%，转角三角形中未发现此现象。频谱分析表明，等频率管阵和不等频率管阵的振动特征变化规律基本一致。 采用数值计算方法，研究了正方形不等频率管阵的流固耦合规律，分析了数值计算模型与实验结果的区别，研究了转角正方形和三角形排布不等频率管阵的临界流速情况。数值计算结果表明，计算所得的临界流速与实验结果误差为13%。频谱分析表明，数值计算的换热管振动频谱与实验结果基本相同。基于以上研究结果，本文采用数值模拟方法研究了三角形排布和转角正方形排布的不等频率管阵流体弹性不稳定性规律，结果表明，三角形排布临界流速随着频率分散率的提高而增大，转角正方形排布的等频率管阵临界流速小于不等频率管阵，而不等频率管阵的临界流速基本相同。

目录

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第1章 文献综述

1.2折流杆换热器

1.2.1折流杆换热器发展历程

1.2.2折流杆换热器失效

1.3固有频率的计算方法

1.4流体弹性不稳定性

1.4.1流体弹性不稳定性特点

1.4.2流体弹性不稳定性理论模型

1.4.3换热管流体弹性不稳定性预测计算

1.4.4临界流速判定方法

1.5不等频率管阵流体弹性不稳定性研究

1.5.1单弹性管流体弹性不稳定性研究

1.5.2不等频率管阵流体弹性不稳定性研究

4.6研究目的及内容

1.6.1研究目的

1.6.2研究内容

第2章 支撑失效对换热管模态响应的影响

2.1.1换热器结构

2.1.2换热管计算模型

2.2单支撑失效对换热管模态的影响

2.2.1无支撑失效

2.2.2单支撑失效

2.3两支撑失效

2.3.1两支撑失效计算方案

2.3.2两支撑失效对模态的影响

2.4本章小结

第3章 管阵流体弹性不稳定性水洞实验研究

3.2水洞实验系统

3.2.1水洞实验装置

3.2.2流量调节系统

3.2.3图像采集处理系统

3.3实验设计

3.3.1固有频率和阻尼比的测试

3.3.2管阵流体弹性不稳定性实验

3.3.3实验步骤

3.3.4实验仪器

3.4实验参数测定和计算

3.4.1流速

3.4.2固有频率及对数衰减率

3.4.3质量阻尼比

3.4.4频率分散率

3.5流体弹性不稳定性实验结果与分析

3.5.1管阵流体弹性不稳定性机理分析

3.5.2等频率管阵流体弹性不稳定性实验结果与分析

3.5.3不等频率管阵流体弹性不稳定性实验结果

3.6管阵频谱分析

3.6.1正方形排布

3.6.2转角三角形排布

3.7本章小结

第4章 管阵流体弹性不稳定性数值模拟计算研究

4.1.1耦合算法

4.1.2湍流模型

4.1.3计算模型边界条件

4.1.4刚体简化模型

4.2计算模型与条件设置

4.2.1模型几何与边界条件设定

4.2.2网格划分及无关性检验

4.3数值计算模型验证

4.3.1均方根振幅—换算流速

4.3.2频谱对比

4.4排布形式对不等频率管阵临界流速的影响

4.4.1三角形排布

4.4.2转角正方形排布

4.5本章小结

第5章 结论与展望

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢