【摘要】：彈性管束利用流體誘導(dǎo)振動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)源強(qiáng)化換熱,在換熱器中有良好的應(yīng)用前景。在相同條件下,錐螺旋彈性管束具有疲勞強(qiáng)度和換熱效率高等特點(diǎn),在彈性管束換熱器中有一定的優(yōu)勢(shì)。而彈性管束的振動(dòng)誘導(dǎo)和控制是其在一定疲勞壽命下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的重要保證,利用分布式脈動(dòng)流對(duì)彈性管束進(jìn)行振動(dòng)誘導(dǎo)和控制已在平面彈性管束換熱器中得到驗(yàn)證。本文對(duì)錐螺旋彈性管束及其分布式脈動(dòng)流發(fā)生裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真分析,對(duì)換熱器內(nèi)殼程流場(chǎng)及耦合流場(chǎng)下的管束振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析,搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試耦合流場(chǎng)誘導(dǎo)下錐螺旋彈性管束的振動(dòng)響應(yīng)。研究工作對(duì)彈性管束振動(dòng)的誘導(dǎo)和控制以及錐螺旋彈性管束換熱器的設(shè)計(jì)具有重要意義。本文的主要研究工作歸納如下:(1)設(shè)計(jì)了錐螺旋彈性管束并建立了有限元分析模型,仿真分析了錐螺旋彈性管束的固有特性及諧響應(yīng)特性,為分布式脈動(dòng)流發(fā)生裝置中繞流體尺寸的選擇提供了依據(jù)。在管內(nèi)流固耦合作用下,錐螺旋彈性管束各階固有頻率下降。在管內(nèi)外流固耦合作用下其固有頻率進(jìn)一步下降,其中低階固有頻率下降幅度較大。脈動(dòng)流激勵(lì)頻率應(yīng)接近錐螺旋彈性管束的某階固有頻率以加強(qiáng)管束振動(dòng)幅度。(2)設(shè)計(jì)了分布式脈動(dòng)流發(fā)生裝置并建立了幾何模型和內(nèi)部流場(chǎng)仿真分析模型,分析了繞流體縱向尺寸和入口流速等參數(shù)對(duì)脈動(dòng)流頻率及強(qiáng)度的影響。在相同的入口流速下,隨著繞流體縱向尺寸增大,分布式脈動(dòng)流發(fā)生裝置同一分支管脈動(dòng)流強(qiáng)度先增大后減小,而其頻率先減小后增大。分布式脈動(dòng)流發(fā)生裝置不同分支管內(nèi)產(chǎn)成的脈動(dòng)流頻率和強(qiáng)度的相對(duì)變化量較低,脈動(dòng)流的一致性較高。(3)建立了換熱器殼程流場(chǎng)與錐螺旋彈性管束的流固耦合分析模型,仿真分析了不同入口流速下管束監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)。錐螺旋彈性管束的振幅受殼程入口流速的影響較大,振動(dòng)主頻受入口流速的影響較小。在相同入口流速下,各排錐螺旋彈性管束的振幅從上到下先增大后減小,在殼程流場(chǎng)誘導(dǎo)下各排錐螺旋彈性管束的振動(dòng)均勻性較差。(4)建立了錐螺旋彈性管束在脈動(dòng)流場(chǎng)和殼程流場(chǎng)耦合作用下的仿真分析模型,對(duì)換熱器內(nèi)錐螺旋彈性管束在耦合流場(chǎng)誘導(dǎo)下的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析,分析了分布式脈動(dòng)流發(fā)生裝置在激勵(lì)各排管束振動(dòng)時(shí)的作用,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在z1合流場(chǎng)的作用下,各排錐螺旋彈性管束的振動(dòng)均勻性較好。分布式脈動(dòng)流發(fā)生裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管束振動(dòng)的有效激勵(lì)和控制,提高了錐螺旋彈性管束的振動(dòng)強(qiáng)度和各排錐螺旋彈性管束的振動(dòng)均勻性。
【圖文】：

，象嚴(yán)重，一些改進(jìn)設(shè)計(jì)也未從根本上改變平面彈性管束的支撐結(jié)構(gòu)，不均勻的應(yīng)力逡逑分布不可避免地對(duì)管束的疲勞壽命產(chǎn)生較大影響，同時(shí)平面彈性管束的應(yīng)力集中逡逑現(xiàn)象較明顯而且管內(nèi)的二次流也很簡(jiǎn)單。逡逑針對(duì)平面彈性管束存在的一些問(wèn)題并在螺旋結(jié)構(gòu)強(qiáng)化換熱的啟發(fā)下，閆柯［４５］逡逑在平面彈性管束的基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提出了一種全新的彈性管束結(jié)構(gòu)，逡逑如圖１－２所示，錐螺旋彈性管束由兩根紫銅螺旋管和一個(gè)連接體ＩＩＩ組成，管內(nèi)流體逡逑從１處進(jìn)入，經(jīng)過(guò)連接體ＩＩＩ折流后從ＩＩ處流出，螺旋結(jié)構(gòu)使其剛度比平面彈性管束逡逑還小。錐螺旋彈性管束改善了應(yīng)力分布，同時(shí)管束的螺旋曲率變化以及截面橢圓率逡逑變化致使管內(nèi)形成強(qiáng)烈的二次流，可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的復(fù)合強(qiáng)化傳熱。錐螺旋彈性管束逡逑沿ｚ軸的振動(dòng)為縱向振動(dòng)，而在ｘ－ｙ面內(nèi)的振動(dòng)為橫向振動(dòng)。逡逑文獻(xiàn)［４５］對(duì)比分析了邋１０種利用二次流效應(yīng)來(lái)強(qiáng)化換熱的管束或誘導(dǎo)元件的換逡逑熱性能及阻力特性，與其它換熱元件相比，空間螺旋管束的換熱強(qiáng)化效果顯著且增逡逑加的阻力較小。在雷諾數(shù)較低時(shí)，螺旋管束的換熱性能良好且阻力較小，同時(shí)多排逡逑錐螺旋彈性管束之間交叉排列，便于振動(dòng)的形成和持續(xù)，，錐螺旋彈性管束實(shí)現(xiàn)了管逡逑內(nèi)外強(qiáng)化傳熱的結(jié)合，是復(fù)合強(qiáng)化換熱技術(shù)的一種新應(yīng)用。逡逑

由于換熱器內(nèi)各排管束在管殼程流體的共同作用下，振動(dòng)一致性較差，靠近殼逡逑程進(jìn)口的管束振動(dòng)幅度較大，而遠(yuǎn)離進(jìn)口一端的管束振動(dòng)較微弱，獨(dú)立式脈動(dòng)流發(fā)逡逑生裝置依然存在各排管束振動(dòng)不均的現(xiàn)象。因此季家東等＾５９］設(shè)計(jì)了圖１－６所示用逡逑于平面彈性管束換熱器的分布式脈動(dòng)流發(fā)生裝置，該裝置的分支管采用彎管結(jié)構(gòu)，逡逑方便豎管內(nèi)的流體進(jìn)入分支管，同時(shí)減輕了殼程流體對(duì)管內(nèi)脈動(dòng)流的影響。殼程流逡逑體一部分從平穩(wěn)流出口進(jìn)入換熱器內(nèi)部，另一部分從分支管流出產(chǎn)生脈動(dòng)流激勵(lì)逡逑管束振動(dòng)，該裝置將殼程流體進(jìn)口管與脈動(dòng)流發(fā)生裝置合二為一，進(jìn)一步節(jié)約了能逡逑源與成本，分析結(jié)果表明各分支管出口流量大體一致，形成脈動(dòng)流的強(qiáng)度和頻率也逡逑很接近，基本可以實(shí)現(xiàn)各排彈性管束均勻振動(dòng)。逡逑＼邐＼邋．脈動(dòng)—器逡逑圖１－６分布式脈動(dòng)流發(fā)生裝置［５８］逡逑綜上所述，脈動(dòng)流發(fā)生裝置在幾十年的發(fā)展完善中結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，從一逡逑個(gè)脈動(dòng)流出口沖擊底排管束到各分支脈動(dòng)流出口誘導(dǎo)各排彈性管束振動(dòng)
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK172

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本文編號(hào)：2700930