發(fā)布時間：2017-11-16 15:31

  本文關(guān)鍵詞：彈性管束換熱器殼程分布式脈動流誘導(dǎo)管束振動研究

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【摘要】：換熱器是實現(xiàn)熱量交換的設(shè)備。彈性管束換熱器利用流體誘導(dǎo)彈性管束振動實現(xiàn)復(fù)合強化傳熱,為無源強化傳熱技術(shù)在換熱器中的應(yīng)用開辟了新的研究方向。目前,實際工程應(yīng)用中的彈性管束換熱器存在各排彈性管束振動不均的現(xiàn)象。導(dǎo)致部分彈性管束易發(fā)生振動破壞,部分彈性管束換熱效果較差,影響換熱器的使用壽命和換熱效率。本文從單排/多排彈性管束在均勻殼程流場誘導(dǎo)下的振動響應(yīng)出發(fā),研究了換熱器內(nèi)彈性管束在實際殼程流場誘導(dǎo)下的振動響應(yīng)。設(shè)計了分布式脈動流發(fā)生裝置,并對殼程流場與分布式脈動流耦合誘導(dǎo)下彈性管束的振動響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析和實驗研究。研究工作對實現(xiàn)彈性管束換熱器管束振動的有效激發(fā)和控制具有重要意義。本文的主要研究工作歸納如下：(1)建立了單排/多排彈性管束及其均勻殼程流體域的幾何模型,基于雙向流固耦合的順序求解法,得到了均勻殼程流場入口流速、管束結(jié)構(gòu)參數(shù)、管程流體和管排數(shù)對彈性管束振動響應(yīng)的影響。研究表明,彈性管束的振動主要由殼程流體所誘發(fā),管程流體對彈性管束振動響應(yīng)的影響較小。在均勻殼程流場的誘導(dǎo)下,彈性管束兩不銹鋼連接體主要表現(xiàn)為面內(nèi)振動,當(dāng)流速較低時,振動存在明顯的二倍諧頻。彈性管束的結(jié)構(gòu)參數(shù)對監(jiān)測點振動響應(yīng)的影響顯著,管束截面外徑影響振動的頻率和強度,管束壁厚影響振動的強度,但不影響振動的頻率。均勻殼程流場誘導(dǎo)多排彈性管束振動時,各排彈性管束相互影響,底層部分彈性管束的振動強度較大、頻率較高,頂層部分彈性管束的振動強度較小、頻率較低。(2)建立了換熱器內(nèi)實際殼程流體域的幾何模型,得到了實際殼程流場入口流速、管排間距、管排數(shù)對各排彈性管束振動響應(yīng)的影響,并得到了實際殼程流場誘導(dǎo)下各排彈性管束的傳熱系數(shù)。提出的網(wǎng)格劃分策略,大幅降低了網(wǎng)格劃分的數(shù)量,提高了網(wǎng)格劃分的質(zhì)量,并能方便地對各分割域進(jìn)行結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的調(diào)整。提出的粗算加精算的分步計算策略,大幅降低了計算時間,提高了計算效率。研究表明,在實際殼程流場的誘導(dǎo)下,各彈性管束不銹鋼連接體的振動均主要表現(xiàn)為面外振動。當(dāng)殼程流場入口流速較低時,各彈性排管束兩不銹鋼連接體的振幅基本一致；當(dāng)殼程流場入口流速較高時,與小不銹鋼連接體的振動相比,各排彈性管束大不銹鋼連接體的振動較劇烈。不同管排數(shù)條件下,彈性管束上兩不銹鋼連接體的振幅隨管束編號的變化均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。不同入口流速條件下,各排管束相同位置監(jiān)測點的最大相對誤差均高于10%,振動的均勻性較差。大不銹鋼連接體的幅值受管排間距的影響較大,小不銹鋼連接體的頻率受管排間距的影響較大。實際殼程流場誘導(dǎo)彈性管束的振動,能夠在低流速(或低雷諾數(shù))下大幅提高各排彈性管束的傳熱系數(shù)。(3)設(shè)計了彈性管束換熱器誘導(dǎo)管束振動的殼程分布式脈動流發(fā)生裝置。通過對流道內(nèi)不同擾流體流體繞流的研究,確定三角柱為擾流體,并對分支管流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。與方柱和圓柱擾流體相比,三角柱擾流體尾流形成的脈動流效果較好,且尺寸調(diào)節(jié)靈活、加工制造方便。通過在流道中增設(shè)導(dǎo)流壁,拓寬了入口流體方向角的參數(shù)范圍,更易在擾流體的尾流形成脈動流。研究發(fā)現(xiàn),流體的流動參數(shù)和流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對形成脈動流的頻率和強度具有重要影響,當(dāng)存在具有一定流速的外部流場時,形成脈動流的頻率具有一定程度的降低。分布式脈動流發(fā)生裝置的分支彎管結(jié)構(gòu),一方面使豎管內(nèi)的流體易于流入分支管,另一方面弱化了殼程流體對形成脈動流的影響。不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同入口流速條件下,分布式脈動流發(fā)生裝置各分支管出口流量的最大相對誤差為7.3%,正常形成脈動流的頻率和強度的最大相對誤差分別為8.33%和5.64%,各分支管形成脈動流的均勻性較好。(4)建立了換熱器殼程含脈動流發(fā)生裝置流體域的整體幾何模型,得到了各排彈性管束在殼程流場與分布式脈動流耦合誘導(dǎo)下的振動響應(yīng)及各排彈性管束的傳熱系數(shù)；搭建了兩場流體耦合誘導(dǎo)彈性管束振動測試實驗臺,測試了換熱器內(nèi)各排彈性管束在殼程流場和分布式脈動流耦合誘導(dǎo)下的振動響應(yīng)。數(shù)值研究表明,各排彈性管束的振動強度基本一致,彈性管束兩連接銅管均主要表現(xiàn)為面外振動,監(jiān)測點的振動位移曲線存在明顯的“雙峰”現(xiàn)象；監(jiān)測點的振動強度隨入口流速的增加而增加,同一監(jiān)測點不變頻率的幅值高于可變頻率的幅值,同一流速下大連接管的振動強度高于小連接管的振動強度。此外,在殼程流場與分布式脈動流耦合誘導(dǎo)下,換熱器內(nèi)各排彈性管束的換熱系數(shù)大幅提高。實驗研究表明,入口流速較高時彈性管束的振動強度較高,殼程流體誘導(dǎo)下各排彈性管束的振動不均勻,存在部分彈性管束振動較劇烈,部分彈性管束振動不明顯的現(xiàn)象。殼程流場與分布式脈動流耦合誘導(dǎo)下,兩連接銅管的主要振動頻率有兩個,其中一個頻率值不受入口流速的影響,稱為不變頻率；另一個頻率值隨入口流速的增加而增加,稱為可變頻率。分布式脈動流發(fā)生裝置能夠基本實現(xiàn)對振動的有效激發(fā)和控制,實驗測試數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果基本一致。在分布式脈動流參與誘導(dǎo)下彈性管束的振動強度明顯提高,且各排彈性管束的振動強度基本一致。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK172
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本文編號：1192829