流体诱发管束振动的流体弹性不稳定性研究

摘要

换热器的管束振动可引起管子的微量磨损和疲劳，维修和更换换热管耗费高昂。至于管子振动的机理，目前比较一致的观点有四种，即：旋涡脱落、湍流抖振、流体弹性不稳定性以及声共振，其中，流体弹性不稳定性是流体诱发管束振动的最危险的诱发因素，极易引起管子的大幅度振动导致其在支撑处被快速磨损。目前，已经存在许多关于流体弹性不稳定性的实验研究，但由于振动机理的复杂性，相关的设计准则在学术界并未给出统一的结论。因此，有关流体弹性不稳定性的研究还需要进一步的展开，为换热器的设计提供更多的理论依据。
　　本文创新设计了可用于单相流和两相流诱发管束振动的实验测试平台。在实验的过程中，研究了和对比了正方形和正三角形排列、节径比为1.28和1.33的四种管束装置的流体弹性不稳定性，并测试了管束在单相流和两相流中的振动特性。同时，本文还采用计算流体力学（CFD）和流固耦合的方法，使用经实验验证的有限元模型对管束振动的流体弹性不稳定性进行了模拟研究，得到了流场和结构场中的信息，并进行分析，补充了实验研究的内容，对深入理解流体弹性不稳定性的机理提供帮助。
　　结果发现：a)无论在单相流还是两相流中，在相同条件下，正方形排列的管束结构比正三角形排列的管束结构更稳定；b）在含气率低于80％的两相横向流中，对于节径比不小于1.28的正三角形和正方形排列管束，推荐正三角形排列管束的不稳定常数K为3.4，正方形排列管束的不稳定常数K为4.0；c)随着节点流速的增大，管束流体弹性不稳定性的主振方向从曳力方向向升力方向转化；d)管束排列方式中，发生流体弹性不稳定性的难易程度依次为：正方形最难，正三角形次之，转置正方形再次之，转置正三角形最容易；e)发现随着节径比的增大，发生流体弹性不稳定性的临界流速也逐渐增大。

目录

声明

致谢

符号说明

1 文章综述

1.1概述

1.2换热器管束振动的破坏形式

1.3流体诱发换热器管束振动机理

1.4国内外研究进展

1.5相关标准简介

1.6研究目的及内容

2 实验装置与测量

2.1实验装置

2.2实验测量方法：

2.3实验方法与过程：

3 实验结果与讨论

3.1 引言

3.2单相流中实验结果

3.3两相流中实验结果

3.4本章小结

4 数值模拟与结果分析

4.1引言

4.2数学模型

4.3数值模拟策略

4.4数值模拟结果

4.5本章小结

5 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

作者简介