两相横向流诱发管束弹性不稳定性研究

摘要

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 DifferenceMeasurement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。

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