（化工过程机械专业论文）换热器管束流体弹性不稳定性的研究.pdf

中文摘要 换热器是化工生产过程中应用最为广泛的热交换设备，设备的安全运行对生 产有着极大的影响，但因振动破坏而最终导致失效报废的案例总有发生。因此， 换热器管束流体诱发振动一直是国内外专家学者重点研究的问题。而流体弹性不 稳定性则是导致换热器管束振动的重要原因之一。 本文提出了一个适用于计算流体弹性不稳定性的有限元模型，采用流固耦合 的计算方法模拟了换热器管束流体弹性不稳定性的发生过程，发现了流场的剧烈 变化是导致管束发生振动的重要原因，并且计算出了临界流速。根据国内外的研 究现状，设计并建立了一套研究流体诱导管束振动的实验装置，实验研究了换热 器管束流体弹性不稳定性的产生过程和振动规律。将有限元模拟计算结果与实验 结果进行对比，结果表明所建立的模型与实验结果吻合较好，验证了模型的正确 性。与此同时，还对t e m a 标准的计算结果进行了评价，结果表明t e m a 标准 的结果偏于保守。 本文利用有限元模型还研究了固有频率对临界流速的影响，结果显示固有频 率的改变会影响管束振动的轨迹，且与流体介质和管束的排列方式有关。当管束 中存在较低频率的管子时，管束的临界流速会有所降低。 最后初步探讨了管束发生流体弹性振动时相位的变化规律，发现了各个管子 之间存在一定程度的相位滞后，且滞后程度与排列方式和节径比均有关系。 本文的研究为换热器管束流体弹性不稳定性的实验及数值模拟研究提供了 一些新的方法，为标准的制订提供了参考依据。 关键词：换热器管束，流体弹性不稳定性，临界流速，固有频率，相位，有限元 a b s t r a c t h e a te x c h a i l g e ri st h em o s tw i d e l yu s e dh e a t e q u i p m e n ti nc h e m i c a lp r o d u c t i o n p r o c e s s ，t h es a f e 妙o fe q u i p m e mh a sag r e a ti n f l u e n c eo np d u c t i o no p e r a t i o n ，b u t m e r ea r em a n yc a s eo ff a i l u r cf 0 r e q u i p m e n tr e s u l t e db yv i b r a t i o n s t h e r e f - o r e ，m e 协r a t i o no f 劬ea 仃a y si nh e a te x c h a n g e ri n d u c e d b yn u i di sa l w a y st h ek e yr e s e a r c h f o re x p e r t sa n ds c h o l a r sa th o m e 觚da b r o a d a n dm ef l u i de l a s t i ci n s t a b i l i t 、ri so n eo f t h ei m p o r t a n tr e a s o n sf o rv i b r a t i o no ft l i b e 锄r a y si nh e a te x c h a i l g e l af m “ee l e m e n tm o d e lf o rc a l c u l a t i o no ft l l en u i de l a s t i ci n s t a b i l i 够i sp r o p o s e di n m i sp a p e r ，m eg e n e r a t i o np r o c e s so ff l u i de l a s t i ci n s t a b i l 时o ft i l b e 啪y si ss i m u l a t e d b yf l u i d - s 仇l c t i l r ec o u p l i i l gm e m o d ，i ti sc o n c l u d e dt h a t 也ed r a s t i cc h a n g eo fn o w f i e l di st t l ei m p o r t 锄tr e a s o no fv i b r a t i o no nm b e a 盯a y s ，锄dt h ec r i t i c 以v e l o c i 够i s c 甜c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h ed o m e s t i c 锄df o r e i g nr e s e a r c h ，锄i n s t a l l a t i o ni sd e s i g n e d 锄ds e tu pf o rr e s e a r c ho fv i b r a t i o ni n d u c e db yn u 畦觚dm e g e n e r a t i o np r o c e s sa n d d i s c i p l i n eo ff l u i de l 勰t i ci n s t a b i l 时o ft i l b ea r r a y si sr e s e a r c h e db ye x p e r i m e n t b a s e d o nt h ec 0 m p 撕s o no fr e 姒nw h i c hc a l c u l a t e db yf 血t ee l 锄e n tm e t l l o da n d 也a tb y e x p 洫e 咄i ti ss h o w nt l l a tm em o d e l i si ng o o da g r e e m e n tw i t ht 1 1 ee x p e r i i n e i l t a j r e s u l t s ，纽dm ec 0 m b c to ft 1 1 em o d e l si sp r o v e d m e 舳w 1 1 i l e ，t 1 1 er e s u l t sc a l c u l a t e db y t e m ag u i d e l i n e si se v a l u a t e d ，i ti sc o n c l u d e dt h a tm et e m a g u i d e l i n e sa r eo nt 1 1 e c o n s e r y a t i v es i d e t h ei n f l u e n c eo fn a m r a j 能q u e n c yo n 也ec 觚c a lv e l o c 时i sr e s e a r c h e du 豳gf m i t e e l 锄e n tm o d e l ，a n di ti ss h o w n 也a t 也ec h a i l g eo fn a n 胎l 舶q u e n c yw i ua 能c t 也e t r a c ko fv i b r a t i o n ，w h i c hh a sr e l a t i o nw i mt h ea 胁l g e m e n ta n dt l l ep i t c ht 0d i 锄e t e r r a t i o w h e nt l l e r eh 嬲l o w 丘e q u e n c yt u b ei na r r a y s ，m e 嘶t i c a lv e l o c 埘w i l lb e r e d u c e d f i n a l l y 也en l l eo fp h a s ec h 觚g ew 血e n 也en u i de l a s 廿cv i b r a t i o no c c u l l r e di s d i s c u s s e dp r e l i n l i n a r y ；i ti sf o u l l dt h a tt h e r ci sp h a s el a gb e t 、v e e nt u b e s ，锄di th 嬲 r e l a t i o nw i 也也ea r r a n g e m e n ta n d 也ep i t c ht 0d i 锄e t e rr a t i o s o m en e wm e t h o d sa r ep r o p o s e df o rs t u d yo ff l u i de l a s t i ci n s t a b i l i 哆o ft u b ea r r a y s i nh e a te x c h a n g e r 锄dt 1 1 er e f 孤ef o rf o 珊u l a t i o no fs t 锄龇i s p r o v i d e d 舶mt h i s p a p e r k e yw o r d s ：m b e 彻y si nh e a te x c h a n g n u i de l a s t i ci n s t a b i l i 以c r i t i c a lv e l o c i 耽 n a t i l r a lf e q u e n c y ；p h a s e ，f h l i t ee l e m e i l t 第一章文献综述 1 1 概述 第一章文献综述 管壳式换热器是一种广泛应用于石油化工、核电、航天等生产领域的热交换 设备【1 1 。随着生产规模的大型化，对于换热器使用的要求越来越高，不仅是传热 效果的提升，对于材料性能的使用也越来越趋近于极限，这就对换热器设计的安 全性提出了更高的要求。目前每年都有成千上万台换热器发生故障而影响生产的 正常进行，其中大部分是由于壳程流体诱发换热管振动造成的，管束的剧烈振动 会使管束因碰撞而毁坏，或因疲劳断裂，或因与管板和折流板之间的磨损而造成 破坏，最终导致换热器失效【2 】。因此研究换热器管束流体诱发的振动是目前换热 器领域比较热门的课题，由于其本身振动是比较复杂的，所以这方面研究也是相 当具有挑战性和创新性的。 流体诱发振动引起的换热器破坏形式分为： ( 1 ) 管子与管子，管子与外壳的碰壁破坏： ( 2 ) 折流板处管子的切割作用； ( 3 ) 管子与管板连接处管子的疲劳破坏； ( 4 ) 材料的缺陷扩展和表面金相破坏； ( 5 ) 外壳的疲劳破坏。 到目前比较公认的激振机理可以分类如下： 横向流 流体动态激振，萋嘉嚣羹 l 声振动 运动决定的激振 雾蓁萋蓁稳定性 平行流 素流抖振 一般来讲，平行流或者激起振幅很小，或者临界速度很高，而横向流在正常 的流速范围内就能激起很大的振幅3 1 。 漩涡脱落是指当壳程流体横向流过换热管时，会在换热管背后形成漩涡，当 雷诺数达到一定程度时，管子背后先形成一个漩涡，在它从管子表面脱落而移向 第一章文献综述 下游时，管子背后的另一侧对称处则正在形成旋转方向相反的漩涡。当这个漩涡 脱落时，原先的一侧又形成新的漩涡。这些漩涡在尾流中有规律的顺序交错排列 成两行，如图1 1 ，此现象首先被匈牙利学者冯卡曼发现，故工程上称为卡曼 涡街，当漩涡脱落频率与管子的自振频率一致时，便会引起换热管的共振。 图1 1 卡曼涡街示意图 f i g u r el l s c h e m a t i co fk a r m a nv o r t e x 鼬r e e t 紊流抖振是指在节径比小于1 5 的密排管束中，由于没有足够的空间，故难 以发生卡曼漩涡的脱落。但壳程流体的极度紊流也会诱发管予的振动。紊流漩涡 使管子受到随机的波动的作用力。而且紊流有一个相当宽的频带，当频带中的某 一频率与管子任一振型的自振频率接近或相等时，便会导致大幅度的管子振动。 而由于其引起的振动很不规律而且带有随机性，故一般认为紊流不是引起管子振 动的最主要原因，而是引起流体弹性激振的主要原因。 在管壳式换热器的使用中，有时可以听到设备内部发生噪音，这就是换热器 的声振动。其产生的原理是在一定条件下，卡曼涡街的漩涡脱离会激起气室壁之 间的某阶驻波，这种驻波在管壳之间来回反射，不断向外传播能量，卡曼漩涡却 不断输入能量。当卡曼漩涡频率与声学驻波频率之比在0 8 1 2 范围内 时，气室内可能产生强烈的声学共振和噪音。当壳程流体是液体时，由于液体的 音速极高，这种振动不会产生。 当流体流过节径比小于1 5 的单排管时，在尾流中可观察到射流对的出现。 如果单排管有充分的时间交替地向上游或下游移动时，射流方向也随之改变。当 形成扩散射流时，管子受力较小，当形成收缩射流时受力较大。如果射流对的方 向变化与管子运动的方向同步，在这种情况下，管子从流体吸收的能量比管子因 阻尼而消耗的能量大得多，管子的振动便会加剧。 而流体弹性不稳定性是指流速超过某一临界值时，管子振幅急剧增大，这种 机理由管束的运动决定，它最容易造成管子破坏，因此，近些年学者们对此机理 进行了大量研究，这也是本课题要研究的主要内容。对于此类问题研究，国内外 学者已经开始了几十年，因此我们首先回顾一下以前的研究状况。 2 第一章文献综述 1 2 国内外研究发展状况 1 2 1 理论模型的研究 早期的记载换热器壳程流体诱发振动现象的文献出现于2 0 世纪3 0 年代至 5 0 年代，经历了半个多世纪的发展，如今这方面的研究成果已经非常丰富，大 量文献都提供了预测和解决这类问题的方法【4 5 1 。这其中包括估算分析模型、完 全强调结构的模型、与实验数据相关的半解析模型和完全用于分析和辨识激振机 理的单纯实验模型等。p a i d o u s s i s ，p r i c e ，w e a v c r 等人都对这方面研究的进展作 出过总结【艄】，另外s s c h e n ，k a t i n a s 等人在一些专著中很详细地分析了这类问 题【9 l0 1 。 关于换热器中流体诱发振动的理论研究有很多，c h e n 【l l ，1 2 】于1 9 8 3 年提出过 用于描述横流中管束不稳定性产生机理的一般性理论，他指出没有一个单独的模 型可以解释所有参数范围内的不稳定性现象，因此，要解释不同参数条件下的不 稳定性机理需要建立不同的研究模型。 c a i 等人于9 0 年代初应用非稳态流体理论研究过非定常流体作用下的松弛 支撑管的流体弹性不稳定性，但他们的不稳定性分析受到静态管束模型的限制， 因此他们建议以后应该用动态管束模型来研究不稳定机理【l3 1 。后来c a i 又和 c h 一1 4 】扩展了他们之前的研究理论，研究了横流作用下的非线性支撑管的流体 弹性不稳定性引起的混沌振动，但他们提出混沌振动分析可能因模型的复杂性不 同而产生不同结果，研究结果表明单一自由度或两自由度模型不能够真实的描述 多自由度系统，并且提出了以后的研究方向。e i s i n g 一”】等人于1 9 9 6 年应用非稳 态流体理论提出了一个数学模型来描述管束中一根具有代表性的管子的流体弹 性振动，并且用a b a q u s e p g e n 有限元代码编写程序计算出了流体弹性力， 其结果与之前发表的文献中的实验数据吻合。同一时期，g m g e r 和p a i d o u s s i s 在研究横流诱发的管束振动时提出了一般的准静态理论，这项研究基于连续性方 程即n a v i * s t o k e s 方程，研究了横流作用下圆柱体的运动规律。数值结果表明 准非静态模型比传统的准静态模型更加符合实验数据并且能更深一步的解释流 体弹性不稳定性产生的机理 1 6 1 。k 囊s s e r a 和s 仃o h m e 衙在研究流体诱发管束振动 时提出了一个二维解析模型【l7 1 ，应用边界单元法计算了包括了湍流在内的流场 方程，但管子被假设成线弹性支撑的刚性管。y e t i s i r l l 8 】在1 9 9 8 年研究流体诱发 振动特性时提出了工作比的概念用以确定由于磨损而引起管子破坏的预测准则。 他基于些参数提出了一个简单的准则，这些参数包括：振动频率、中跨振幅、 跨长、管束质量和磨损经验系数。他认为激振完全由湍流引起而并未考虑流体弹 笫一章文献综述 性力。1 9 9 9 年，f i s c h e r 和s 仃o h m e i e 一1 9 】应用了流固耦合模型计算横流作用下管 束的稳定性，该模型是一个三维瞬态模型，此模型是一个增加了基于梁理论和摩 擦影响的结构响应模型，响应结果与横流中两端固定的管子吻合。但是，此模型 并未考虑管子节径比和排列方式的影响。 进入2 1 世纪，a u m g 在他的文献【2 0 ，2 1 】中回顾了他认同的完整的流体弹性 不稳定性理论的发展并研究了湍流作用下的管子的随机振动。并应用有限元方法 建立了计算结构响应的程序计算了横流作用下的管子和梁。研究结果以图表的形 式给出，并阐述了如何应用商业有限元软件结合其他理论计算由湍流引起的单根 或多跟管子的振动。 建立管束振动的流体弹性动力学模型需要大量的实验依据。实验研究换热器 流体诱发振动现象主要有两点原因：( 1 ) 更直观的观察动力学特性( 2 ) 减少建立数 学模型的复杂程度。( v e r 和w e a v e r 于1 9 7 8 年做过一些列的实验来研究流体 诱发管排振动，并在他们的文章中提出了很多观点【2 2 ，2 3 1 。1 9 8 2 年，l e v e r 和 w e a v 一2 4 】利用前面的实验发现提出了换热器管柬流体弹性不稳定性的理论模 型。为此，他们也做过一系列的相关实验，为简化模型铺平了道路。他们的实验 结果表明要建立流体弹性系统模型只需要一根弹性管和与其周围流体相邻的管 子。改进后的模型与实验结果吻合的很好，之后的模型又可以增加更多的流体激 励因素，并且研究了管子节径比的影响以及不稳定性的预测。 由于一些流体弹性影响并不能用准静态理论解决，上世纪8 0 年代初，a k a 和c o w o r k e r s 以非稳态理论为基础提出了一种计算临界流速的方法【2 5 2 7 】。他们 建立了一个管束的动力学模型，其中包括了非稳态流体弹性力，对于小型管的振 动，该力可由一个线性方程表示，方程中由3 部分组成：附加质量、阻尼以及刚 度影响。 g 】- 一p 硪：【口】 鲁 + 丝训害 + z k 一如 ( 1 1 ) l a zj w l o zj 其中：k 】、k ，】、k 。】为流体力系数。 该模型考虑了管束中相邻管子之间的耦合，但每根管被当成是单自由度的集 中参数系统。耦合方程以矩阵的形式给出，其中的流体弹性力系数由实验测量。 g m g e 一2 8 】等人于1 9 9 3 年使用了相同的线性流体弹性力模型给出了n 根管的动 力学模型。2 n 自由度的模型与单自由度的整体模型相似。他们进行了相关实验， 并用实验数据确定了整体阻尼和固有频率最终确定流体弹性力系数，该研究依赖 于间接响应技术和关联信号转换方法。c h c n 和c o w o r k e r 于1 9 9 6 年提出了模拟 流体诱发振动的方法，用非稳态理论确定流体弹性力系数【2 9 删。流体诱发驱动力 4 第一章文献综述 被当成激振力，此力可由一个伽a l ( a 等人曾经用过的线性模型表示。他们分析 后确定流体力系数，再用实验数据判定其准确性。最后他们得出结论：流体弹性 系数与管束的排列方式，节径比，振幅，对比流速以及雷诺数有关。 虽然与流体诱发振动相关的研究从7 0 年代早期就开始了，但要清楚所有可 能发生的流动条件下的流体诱发振动机理仍然需要继续该领域的研究。目前还没 有一种判据可以准确的预测换热器内管束流体弹性不稳定性，尽管t e m a 标准【3 l 】 已经在工业上广泛使用，但其在很多工况下并不能准确的预测出流体诱发的振 动。1 9 9 8 年，p e n i g r e w 等人列举了许多流体诱发振动影响换热器正常工作的案 例，并指出还有许多问题尚需进一步研究，如管束磨损的预测和阻尼机理等【3 2 1 。 近期，p e t t i g r e w 和t a y l o r 回顾了之前的关于流体诱发振动的研究并提出了一些 避免破坏性振动的换热器设计理念【3 3 ，3 4 1 。 1 2 2 实验研究发展状况 对于早期的实验研究，其中最具有代表性的是由g r o v e r 和w r e a v e r 于1 9 7 8 年进行洲2 列。他们使用了由1 9 根管组成的管排，其中一根是弹性管，得出结论 是一根弹性管引起周围刚性管不稳定的机理与全都是弹性管是相同的，并且每根 管发生不稳定是相互独立的。1 蛆呔a 和1 钛a h a r a 【2 5 】于8 0 年代初用实验测量作用 在振动管子上的非稳态流体力，他们使用了中间一根管为弹性管的管束，并用应 变片在其弹性支撑处结合相关测试仪器对流体弹性力进行了测量。他们指出管束 自身的振动和其周围4 根相邻管束是主要产生不稳定流体弹性力的因素。 胁a k a 【2 6 】后来又测量了不同节径比下的非稳态流体弹性力，通过结果的比较得出 了节径比与临界流速之间的关系。8 0 年代中期，c h e n 【3 5 】也做过一系列实验研究 横流作用下支撑板连接的管束的动力学特性和不稳定现象，发现了一些新的管子 与管板之间相互作用的力学特性。 进入9 0 年代，g m g e 一2 8 】等人设计了一个实验用的正方形排列的管束，管子 都由一个小直径的弹性管来支撑，用应变片测量流体响应。他们得到了很多好的 实验结果并证实了一些由理论模型推导出来的与临界流速有关的参数的正确性。 聂清德等人从工程实际出发利用l e v e r 和w e a v e r 的“流管”模型结合风洞实验 获得了对比流速与质量阻尼参数之间的稳定区图，对指导工程实践起了很大的作 用【划，如图1 2 。 c h e n 【2 9 】测量了管束在横流作用下依赖流体变化的流体力，结果表明此力是 激振频率，激振振幅和流速三者的函数，并指出如果测量出这些参数，非稳态理 论就可以在很大程度上推动管束流体弹性不稳定性研究的进展。9 0 年代中期， 两相流的研究开始兴起，p e t t i g r e w 【37 】等人与1 9 9 5 年做了一系列实验研究了氟利 第一章文献综述 昂两相流作用下管束的振动，包括流体弹性不稳定性，随机湍流激振和阻尼等。 图1 2 流管模型示意图 f i g l l l e1 - 2 s c h e m a t i co fn u i dc h a n n e lm o d e l 同时期，j 0 0 和d h 一弱j 研究了两相流作用下的管束的流体弹性不稳定性，从 他们的研究数据中看出流体弹性不稳定性与其中一个参数的急剧变化有关。 t a y l o r 等人提供了一个减小两相流下管束随机激振力的方法，并留下了大量的可 作参考的实验数据和参数【3 9 】。与此同时，c h e n 等人通过水洞实验研究了不同排 列方式下的管排，同过激振中间管来增加振动位移【3 0 1 ，指出流体弹性力系数与 管束排列方式，节径比，激振振幅，对比流速以及雷诺数有关。f e e n s t r a m 】等人 实验研究了换热器管束模型在两相流作用下流体诱发振动响应和流体弹性不稳 定性，主要是为了确定临界流速。最近，s 啪e r 等人又做了双排管的风洞实验， 研究了节径比和漩涡脱落对于振动的影响 4 1 1 。 1 2 3 计算机模拟研究发展状况 目前，对于换热器管束振动的研究主要采用实验与计算机模拟两种方法，研 究对象有气体也有液体，有单相流，也有多相流，主要目的是研究管束振动的产 生机理以及对设备的影响从而采取防振措施。 计算机模拟以前主要是研究人员自行编写程序进行，而现在由于商业软件的 快速发展和兴起，给研究人员带来了极大的便利，可以更深入的进行这方面目研 究。 计算机模拟主要是研究管束周围流场变化，管束振动响应等等。之前对于塔 器周围流场研究较多，如徐海涛、桑芝富、利瓦伊辰等都是利用有限体积法对不 6 第一章文献综述 同雷诺数下流体绕塔体的流动状况进行数值模拟。结果表明采用三阶精度的 q u i c k 离散动量方程，并用瞬态p i s o 算法求解压力一速度耦合的方法可以根 精确地模拟塔体背风侧的漩涡生成及脱落过程。计算结果和理论分析及经典实验 结果比较一致。由此不仅可以更好地理解卡曼涡街的结构，也证实了这种方法的 可行性【4 2 ，4 3 】。而赖永星等人则对换热器管束发生卡曼涡街的情况做了详细的研 究，他们利用计算流体力学软件c f d ，对粘性不可压缩流体的同定圆管绕流进 行数值模拟，通过快速傅立叶变换，得到了升力的功率谱，继而求出漩涡脱落频 率，并与传统的卡曼漩涡分离理论进行了对比。二者趋势相同、数值接近，说明 此方法可用于计算圆管绕流漩涡脱落的频率。另外，他们还利用计算流体力学软 件c f d 和逐步积分法，提出了一种计算流固耦合的方法。完成了同时考虑纵横 两向弹性支撑圆管绕流漩涡脱落诱导振动的数值模拟，并通过快速傅立叶变换， 得到了弹性支撑圆管的升力及弹性支承圆管横向位移回应的功率谱。最后还用上 述方法模拟管束流体弹性振动，得到了管束振动位移曲线并利用l e v e r 和w e a v e r 的流管模型，采用连续性方程和能量方程分析流体弹性不稳定性，推出对比流速 和质量阻尼的关系，如图1 3 ，并与之前的研究结果作出比对【4 叼。 不稳定 ， ? 一 = 二二! = ： 定m 翻学 ! ：= 1 f r l i ，i 瞄，带 图1 3 正方形管束的动力不稳定图 f i 舒鹏1 - 3d y n 锄i cs 劬i l i 够c h a no f s ( 1 u a r e 劬eb 眦d l e s 由于流体弹性不稳定性本身的复杂性和不确定的因素较多，对它的研究还在 继续，不断有新的方法和理论出现。随着新技术的发展，人们对于流体流场的研 究也越来越细致，越来越深入。在换热器中，不论是管程还是壳程，都充满了流 体，有气体也有液体，其流场的分布不仅影响着换热器传热性能，同时也影响着 其振动特性，因此对于换热器流场分布的研究一直是研究人员们的重点课题。目 前，计算机模拟用得最多、最广，同时也是未来发展的趋势。由于计算机技术的 舻 咿 烀 m ， 毫p 第一章文献综述 发展，计算机模拟方法应用于流体力学中越来越多。大型商业软件如：a n s y s 、 f l u e n t 、c f x 、s t 辨c d 等都已经在流体动力学分析方面得到了广泛使用。施 金贵f 4 5 】等人建立了管壳式换热器的简化模型，利用a n s y s 模拟软件，对管壳 式换热器的壳侧三维流场进行了模拟计算，得到了不同排列方式下及入口流速的 情况下换热器模型的壳侧流场，并与实验结果进行了比较，证实了结果的可靠性。 另外他们分析了管壳式换热器换热管的两种不同排列方式下流场的差异和流场 对换热器失效的影响，提出了换热器管束失效的预防措施。刘敏姗，董其武，刘 干等人则用f l u i 狲t 软件对换热器壳程流场做了模拟，模拟结果与实验结果吻 合较好。在此基础上他们针对折流板换热器壳程压降大、能耗高、存在传热死区 等的缺点提出了改进壳程流场的方案【4 引。而郑州大学的夏立荣当时首次实现了 新型纵流壳程换热器变截面导流装置内的三维流体流动数值模拟计算，应用大型 通用c f d 软件f l u e n t 软件研究了新型纵流壳程换热器变截面导流简装置内 的流体流动特性，获得了采用实验方法无法获得的流体流动的细观信息【47 1 。基 于计算流体力学的手工编程计算也是广大学者使用的方法，袁野，倪景峰，刘丽 华在合理划分二维流场离散网格的基础上，采用了有限差分方法求解流动微分方 程，借助计算机编程获取目标流场中各结点的最终离散值，并生成流场的流动速 度向量示意图，针对横掠圆管流场的有限差分分析，对换热器的性能改进以及现 场优化运行有一定的参考价值 4 8 1 。解衡，高祖英采用多孔介质方法，在 p h o e n i c s 2 3 1 3 程序的基础上建立了换热器的三维流动计算模型。而熊智强， 喻九阳，熊智斌则对数值模拟的优缺点和模拟的软件做了简要介绍，并对常用于 管壳式换热器的直接数值模拟和多孔介质模型两种类别作了明确阐述【4 9 】。王定 标，向飒，魏新利基于计算流体动力学原理，建立了换热器流体流动和传热过程 的控制方程组，应用操作数分裂法，将换热器控制方程分裂为基本的对流、扩散、 s t o k e s 方程；采用8 2 0 节点三维等参单元，推导出有限元离散化方程组。编 制了流体流动和传热的数值仿真系统程序，应用仿真系统进行传热数值模拟计算 和实验验证。实验证明，采用编制的折流杆换热器数值仿真系统进行传热模拟计 算是切实可行的【5 0 】。可见，编程的方法是很实用也是很精确的，也是目前应用 较多的方法。因为其灵活性高，故越来越多的新模型可以使用而不用受特定软件 的限制。 国外主要也是编程或利用这些商业软件进行数值模拟。如d m i s s i r l i s ，k 啪也o s ，a p a l i k a f 鹤等人用的是多孔介质渗透模型来模拟的u 型管式换热 器，而t o r dk d s s o n ，l e 皿a nv a m l i n g 等人则是利用c f d 软件来对冷凝器的流 场进行的分析【5 1 】。i c h i o k a 于1 9 9 7 年在研究换热器管束流体弹性振动时介绍了 一种计算流体力学分析技术，该技术以动网格方法为基础，作者以此分析了无穷 第一章文献综述 多管排中的两根管子的振动刚。m h a s s 锄和m h a y d e r 利用有限元方法对松弛支 撑换热器管束的流体弹性振动进行了模拟，得到了非线性支撑条件下管束发生流 体弹性振动时的运动规律及特性【5 引。y a k h u l i s a 舢k a a b i ，s a s a i d 等应用 节点单元法利用m a t l a b 编写有限元程序模拟换热管流体弹性振动并结合实验 研究重新分析了t a n a k a 等人的理论并提出改进建议，最后还与t e m a 标准进行 了比对，得出了t e m a 标准中关于计算临界流速的参数偏于保守的结论【5 5 1 。 1 3 有限元及流固耦合计算简介 1 3 1 有限元方法与a n s y s 简介 有限元方法是用于求解工程中各类问题的数值方法。应力分析中稳态的、瞬 态的、线性的或非线性的问题以及热传导、流体流动和电磁学中的问题都可以用 有限元方法进行分析解决。现代有限元方法的起源可以追溯到2 0 世纪的早期， 当时一些研究者应用离散的等价杆拟合模态的弹性体。然而，人们公认 c o u r 锄t ( 1 9 4 3 ) 是应用有限元方法的第一人。c o l l r a n t 使用分段多边形插值法而不 是三角剖分法来研究扭转问题。 在2 0 世纪5 0 年代，b o e i n g ( 波音) 公司采用三角元对机翼机型建模，大大推 动了有限元方法的应用。其他不少人接着采用了这一方法。然而，直到2 0 世纪 6 0 年代，人们才广为接受“有限元”这一术语，c l o u g h 在这方面做了不少工作。 在2 0 世纪6 0 年代，研究者开始将有限元方法应用到解决工程中的其他领域，例 如热传导和地下渗流中的问题。z i e n k i e w i c z 和c h e u n g ( 1 9 6 7 ) 在1 9 6 7 年撰写了第 一本有限元的专著。1 9 7 1 年，首次发布了a n s y s 。 a n s y s 是一个通用的有限元计算机程序，其代码长度超过1 0 0 0 0 0 行。我们 能够应用a n s y s 进行静态、动态、热传导、流体流动和电磁学分析。在过去的 2 0 多年里，a n s y s 是最主要的f 队程序。当前的a n s y s 版本带有用户界面( g u i ) 的窗口、下拉菜单、对话框和工具条等，与过去相比已经焕然一新。现在，a n s y s 已经被广泛应用在许多工程领域中，如航空、汽车、电子、核科学等【5 6 1 。 1 3 2 耦合计算方法简介 耦合场分析是考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析5 7 1 。例如 压电分析，考虑结构和电场的相互作用，求解由于施加位移造成的电压分布或相 反。其他耦合场分析的例子有：热应力分析，热一电分析，流体结构耦合分析等。 需要进行耦合场分析的工程应用有：压力容器( 热应力分析、流体结构分 第一章文献综述 析) ，感应加热( 热磁分析) ，超声波传感( 压电分析) ，磁体形成( 磁结构分析) 等等。 耦合场分析的过程依赖于所耦合的物理场，耦合场分析方法可分为两类：顺 序耦合和直接耦合。 顺序耦合法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于某一种物理 场分析，通过将前一个物理场分析的结果作为载荷施加到第一个分析中的方式进 行耦合，而直接耦合方法只包含一个分析，它使用包含多物理场自由度的耦合单 元，通过计算所包含物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。对于多场相 互作用非线性程度不是很高的情况，顺序耦合法更有效，也更灵活，因为每种分 析是相互独立的。若耦合场之间相互作用非线性程度很高，则直接耦合法具有优 势，以为它只使用耦合变量一次求解到结果。 1 4 研究目的及内容 1 4 1 研究目的 关于换热器管束流体弹性不稳定性的研究已经发展了几十年，无论是研究手 段、研究方法还是理论模型，实验数据都已经非常丰富了。但是在工程实际中还 是有许多尚未认知的问题，如管束磨损，阻尼规律等等。而当今随着社会科技水 平的高速发展，许多先进的测试手段和大型计算机应用程序可以被我们广泛的利 用于此类问题的研究中。综合前人研究观点，实验与数值模拟并重是以后研究流 体弹性不稳定性的主要趋势，特别是利用新的数值模拟方法和实验装置来继续进 行前人的研究。由于之前的数值模拟还未充分利用新型软件的强大功能，流固耦 合的效果也并不直观，研究也大多为正方形顺排管束，对于其他排布方式并不多 见，且重点是考虑节径比，质量阻尼，排列方式等因素，而对于固有频率，相位 以及运动轨迹等研究不多。因此，本课题研究的主要目的就是提出一个利用商业 软件模拟流体弹性不稳定性的流固耦合模型，建立一套适用于解决此类问题的实 验装置，并用实验结果验证模拟方法的准确性。之后便可以用此模拟方法更深一 步的研究更复杂的不适于或不方便实验的问题，用更直观的方法求解临界流速并 和相关标准进行比对，研究管束的振动规律，研究固有频率，相位，管束运动轨 迹，流场变化对其的影响等等，为工程实际应用和标准制订提供参考。 l o 第一章文献综述 1 4 2 研究内容 1 4 2 1 建立实验装置 参考国内外水洞试验装置结合自身条件及相关计算结果，建立一套可用于研 究流体诱发换热器管束振动的小型实验装置。包括设备建立的总体构想、设计图 纸、相关计算过程、零部件搭配及选用、测试仪器介绍和效果总图等等。 1 4 2 2 建立并验证有限元模型 建立模拟管束流体弹性不稳定性的有限元模型，利用a n s y s 软件结合流固 耦合计算方法对横流中管束振动进行模拟，得到振动响应，流场变化等，进一步 作出相关曲线得到临界流速。利用建立的实验装置进行同样参数条件下的相关实 验，得到振动响应数据以及临界流速，将实验值与有限元计算值进行对比分析， 从而验证有限元模型及模拟方法的正确性。 1 4 2 3 有限元模拟计算 利用上述有限元模型模拟正方形和转置正方形排列方式下流体弹性振动过 程，得到管束位移曲线，频谱图等，求出临界流速，并与g b l 5 1 1 9 9 9 和t e m a 标准进行对比分析，为标准的修订与相关参数的制定提供依据。同时研究流场变 化对振动的影响。 模拟上述两种排列方式下不同固有频率的管束在横流作用下的流体弹性振 动，研究固有频率对临界流速及管束运动影响规律。在此基础上，初步研究相位 的变化规律和其对管束振动的影响。 第二章理论模型与相关标准 2 1 理论模型 第二章理论模型与相关标准 关于流体弹性不稳定性的研究已经有很多年的发展历史，在这期间国内外大 批学者都提出过解决此类问题的理论模型，虽然各有各的适用范围，但也有许多 不足之处，要继续这方面的研究，首先需要了解这些模型。一般认为，流体弹性 不稳定性的产生机理主要是由管束本身的运动和流体弹性力共同作用的结果 【5 8 】。由于湍流作用或其他流体激振因素影响，管束会发生随机振动，这些振动 的振幅是非常小的，不会对管束本身造成严重的破坏，但随着流体流动速度的增 加，流场的变化会更加频繁，作用在管束上的流体弹性力会增大，导致管束振幅 明显加大，这就意味着流体弹性不稳定性发生了，这种振动对设备的伤害是巨大 的，可能瞬间使设备不能正常运转，因此，在日常生产中必须避免这种振动。 为了研究这类问题，这几十年产生了很多理论模型，比较有代表性的主要有： 射流转换模型、准静态模型、无粘性流体模型、非稳态模型、半分析模型、准稳 态模型和计算流体力学模型等。下面简单介绍一下这些模型的基本理念。 2 1 1 射流转换模型 这个模型是第一个用于描述横流作用下管束流体弹性不稳定性的半分析模 型，他是由r o b e n s 在2 0 世纪6 0 年代中期提出的，作者用此模型研究了单排和 双排管在流体中的运动规律，如图2 1 所示。 图2 1 射流转换模型示意图 f i g u r e2 - ls c h e m a t i co f j e t s w i t c hm o d e l 1 2 第二章理论模型与相关标准 他们初步的实验以及相关照片显示在同一流动区域内的两根相邻管束的下 游会产生两个尾流区域，一个较大，另一个较小，在它们之间产生了射流。r o b e n s 认为这和s w a y e r 等人曾经分析过的两个平行板间的射流极为相似，他们认为射 流不断的从尾流区域中吸取流体，使得射流两侧产生了不同的压力，导致了平板 的弯曲和碰撞，而一部分射流又重新补充到尾流区域中以维持射流从中吸取流体 【5 9 】，正如图2 1 所示的射流和尾流区域。 在r o b e r t s 的研究中，主要有三个假设：第一，流体流动在两个圆柱之间最 小的间隙处分开；第二，两个尾流区域的压力是给定的不变的常数，而且是不同 值：第三，分离点上游和射流中的流体都是无粘性的。基于几何学的考虑和基本 流体力学，r o b 叭s 得到了一个管束背后的压力系数，这个系数是一个管束位移 x 有关的函数。如图2 2 所示。 图2 2 滞后响应图 f i g u r e2 - 2 c u n ，eo fl a gr e s p o n s e 这是一个典型的振动，展示了围绕x = 0 处的滞后响应，i 渤e r t s 还给出了一 些实验数据和理论非常吻合。这种现象可以解释为：当下游管向上游移动时，两 根管交叉，没有足够的流体补充到大的尾流区域中以维持射流吸取，导致了尾流 的收缩和射流方向的转换。因此当管子向相反方向移动时，在同一方向就不会发 生射流转换了，围绕x = o 处的流体流动就有两个稳定的形态。r ( b e r t s 还给出了 流体流过圆柱后的流线形态，由于分离点上游流体被假设成无粘性的，那么通过 求解拉普拉斯方程可以得到分离点上游圆柱表面的压力分布。通过压力分布可以 求出作用在管子上面的曳力，当管子的振动幅度足够大以致发生射流转换时，曳 力辅助其向下游移动大于向相反方向的上游移动，流体中的能量将释放出来，流 体弹性不稳定性就会发生。但这要求管子必须有一个初始的位移，因此，不稳定 第二章理论模型与相关标准 机理本身是非线性的。r 0 b e r t s 发现射流转换不是瞬间就发生的，它需要一定的 时间才能使尾流区域收缩和射流方向的转变，他认为只有当需要的时间小于管束 移动周期的一半时射流转换才会发生，于是他给出了一个描述这种现象的方程： 氅+ 2 f 生+ 工 兰薹洳缸) 】- 2 ( 铮吼。爿 仁1 ) 这里，t 是无因次时间，大括号中第一项为流体刚度，第二项为流体阻尼。通过 求解该方程，可以得到发生流体弹性不稳定性的临界流速v c 的表达式： 圪q 加= k 白万矽2 尸 ( 2 2 ) 其中是流体弹性频率与结构频率之比，约等于1 。该公式和r o b e r t s 的实验数 据吻合的也较好。这种思想主要是认为不稳定性是由流体刚度控制的，其中伴随 着射流转换造成的曳力滞后振荡中释放的能量。r 0 b e n s 提出的理论模型只和他 自己的实验数据吻合的较好，但和其他实验相比偏差较大，因为他只考虑了在流 体流动方向上的振动，而且在他的实验中只有一根弹性管，而大部分实验还是多 弹性管模型。另外还有一些因素也限制了他的模型，比如它只适用于分析下游管 子的稳定性，只能预测沿流体流动方向的不稳定性等，需要改进的地方还有许多。 2 1 2 准静态模型 最著名的应用准静态模型来预测横流下管排流体弹性不稳定性的案例可能 就是c o n n o r s 和后来的b l e v i n s 了。和1 0 0 b 嘶s 相似，c o 皿o r s 也考虑了一个流体 中的单排管，他没有去估算流体力，而是去实际测量该力，他得到了关于管子发 生不稳定的许多参数。另外指出管子的振动轨迹是椭圆状的，也就是说在平行于 流体流动方向和垂直于流动方向上都有位移。他采用节径比1 4 l 的管排作为实 验对象，让一根管的两根相邻管以同相位或反相位的方式恒幅移动，而测量中间 管子的升力和曳力。同相移动时，升力无变化，而曳力有变化，产生了由于射流 转换造成的滞后跳动，这和r - o b e r t s 的结论类似。c o 皿o r s 考虑到当功口很低时， 不会发生射流转换，因此他认为射流转换不是导致不稳定的主要原因。所以，他 从原始的曳力变量中将射流转换引起的曳力减掉了，实验流体为空气，每一次振 动周期所做的功应该等于新的曳力曲线所围成的面积，通过对不同的埘情况的 测量，他得出功主要取决于y 的变化的结论，并给出了流体力系数g = 0 2 0 砂。 对于反相位移动，他只测量了升力，假设曳力为常量，考虑了射流转换对升力的 1 4 第二章理论模型与相关