横流冲刷下换热器管束流体弹性失稳的研究进展

管壳式换热器管束受到流体的横向冲刷,进而引发管束与流体的耦合振动,即为流致振动.管束流致振动是引发换热器失效的重要原因,其中最为危险的便是流体弹性失稳.针对国内外管束流体弹性失稳相关研究进行了详细分析,并指出管束流致振动研究的主要研究热点.该相关分析和结论,可为换热器设计和相关研究提供理论依据.     

核级管壳式换热器管束流致振动的TEMA标准分析方法

换热器广泛应用于核电厂传热过程,其中折流板管壳式换热器是最常见的一种。但是,这类换热器的传热管束易发生流体诱导振动,造成设备破坏。针对核级管壳式换热器的实际运行工况,依据TEMA标准,探讨了卡门旋涡、紊流抖动、流体弹性不稳定、声振动流致振动的分析方法,对防止管束流致振动破坏提出了解决办法。     

平面弹性管束管内流固耦合振动特性有限元分析

弹性管束换热器利用流体诱导振动实现强化传热,识别流固耦合作用下弹性传热元件的振动特性对于研究其强化传热机理、优化管束结构等具有重要意义.基于此,采用有限元法研究平面弹性管束在管内流体流动作用下的振动特性.通过多点约束方程约束四根管束自由端位移,对管束自由端的连接体采用集中质量法进行简化,利用坐标变换统一弹性管束四根弯管的单元矩阵,在此基础上建立管束振动状态方程,分析不同流速下平面弹性管束的频率变化及振型特点,求解管束振动失稳的临界流速.结果表明:平面弹性管束的阵型分为面内和面外振动,随着管内流速的增大,管束基频明显降低,管束失稳临界流速在3.356 5～3.356 9 m/s之间,远大于弹性管束换热器实际工作条件下的管程流速.     

弹性管束动态特性子结构模态综合法

弹性管束换热器利用流体诱导振动强化传热,识别换热元件的模态特性对于了解其运行机理、优化结构设计有重要意义。基于此,运用子结构模态综合法,先推导出弹性管束每个部件的运动方程,然后根据相容性条件进行装配,从而得出弹性管束在模态坐标下的自由振动微分方程。用数值方法求解该方程,得出结构的固有频率和振型,并对模态频率和振型变化进行详细分析。结果表明：弹性管束既有面内振动又有面外振动。在管束内外复杂流场的宽频激励下,弹性管束的振动是各阶振型合成的复杂运动,从而初步解释了其强化传热的机理。     

同心圆排布管束流体弹性不稳定性模拟研究

流体弹性不稳定性是换热器管束振动中最重要的激振机理,对同心圆排布管束的流体弹性不稳定性研究可以为该类型换热器的设计制造及维护提供参考。基于同心圆排布的几何特点,建立了类正方形排布、过渡排布和类三角形排布3个具有代表性的物理模型,采用ANSYS CFX软件进行了流固耦合模拟计算,获得流场信息和振动特性。通过对同心圆排布不同位置处的临界流速、主振方向进行分析,发现主振方向会随间隙流速增大,由顺流方向变为横流方向;在3种排列中,类正方形排布区域临界流速最大,过渡排布区域临界流速最小,结果表明,同心圆排布管束中过渡排布最易失稳,在设计及工程应用中应重点关注该区域。     

不等频率比转置三角形管束流体弹性失稳试验研究

管壳式换热器是最为常用的热交换设备,管束的流致振动问题是设计和制造关注的重点,虽然换热器的设计过程对管束流致振动问题有所要求,但是由于管束的支撑存在不对称性,造成实际工作中的管束振动问题难以准确预测。采用水洞试验,研究了节径比为1.41的不同频率比转置三角形管束的流体弹性失稳特征,对比分析了振幅、频率响应和相图特性。结果表明,当R_f<0.8时,单弹性管模型很难准确预测管束横流向失稳临界流速。随着频率比R_f的减小,横流向失稳前振动形式由混沌形式向双周期振动转化,而顺流向振动形式在失稳后,则由准周期振动向双周期振动形式转化。同时,管束顺流向可能出现超过标准的振幅,在换热器设计和运行过程中应予以关注。     

管壳式换热器振动的诊断及预测

根据 Lever 与 Weaver 的“流管”模型,本文利用非稳态流理论及复数解法,求解换热管的振动方程,可以确定换热器管束发生流体弹性振动时的临界流速。以质量阻尼与对比流速为参数作出的稳定区图,可用来诊断并预测管壳式换热器的振动。     

换热器振动研究

为了防止列管式换热器的振动,必须正确选择壳程流体的速度与确定管子的自振频率。本文阐述了流体横向流过管束时引起管子振动的机理并着重讨论了不等跨管自振频率的计算方法。所推荐的计算公式便于在工程设计时应用且可为设计者预测换热器的振动提供依据。     

特殊载荷的数值计算

本文涉及锥形法兰的旋转和径向挠度计算、换热器中的不连续应力、快开式隔离阀中的冲击效应、用变分法分析圆筒壳中的弹性性屈曲、用贝塞尔函数分析非圆形筒壳的振动等问题，还报导了真空换热器管束的流体诱导振动实验情况。各项计算均采用简化算法。     

发夹式换热器管束流致振动数值模拟研究

运用计算流体力学方法,采用ANSYS CFX软件对发夹式换热器的壳侧流场进行了三维数值模拟。流场计算中采用多孔介质模型对管束区域进行简化,分析了壳侧流场的速度分布,结果表明:直管段部分的流体湍流强度大于弯管段,且外层管束所在区域为高流速区,受流体冲刷严重。结合流场信息,通过功率谱生成随机激振力,采用ABAQUS软件模拟计算了湍流激振下管束的振动响应,结果显示管束的面外均方根位移远大于面内位移,且弯管部分的振动位移最大。该研究结果可为发夹式换热器的性能分析和优化设计提供参考和依据。     

U型管换热器振动的分析计算及处理对策

通过对实际运行中发生振动的U型管换热器进行振动检测、并对管束振动进行计算及分析 ,判断管束因壳侧气体流经管束及折流板时 ,气流及声波所产生的振动诱发管束产生了共振 ,通过在折流板间加装纵向支撑板 ,有效地消除了换热器的振动     

管壳式换热器管束振动与防范

在化工厂中,管壳式换热器使用十分普遍,换热器管束振动是经常发生的。本文根据有关文献以及从事换热器设计方面的经验,着重从理论上探讨了在换热器设计中做到防范管束振动。文中根据“振动是由壳程流体所引起”这一理论提出防范管束振动主要受控于两个比值(旋涡分离频率f_s和紊流抖振频率f_(tb)分别与管子固有频率f_n的比值K_s与K_(tb))范围的观点。希望这一观点对于从事换热器设计的工程技术人员有所裨益。     

热交换器的管束振动及噪声的降低

热交换器中的管束振动及噪声问题长期以来一直未能获得妥善解决,其原因主要是由于引起振动的机理不是十分清楚。热交换器中的管束振动,一般认为有四种机理:旋涡脱落,湍流冲击、声激发以及流体弹性动力失稳。本文研究旋涡脱落所引起的声共振。分两部分:第一部分研究单管所引起声共振,第二部分研究管束所引起的声共振及噪声的降低方法。本文虽着眼于基本机理的研究,但对于管束时声振动的数学模型,认为目前还难以建立,只能借助于试验研究。试验研究工作是在美国麻省理工学院的“声与振动实验室”进行的。     

一种核电主设备内管路流致振动分析

核电一回路主设备,如反应堆压力容器、蒸发器等内部管束或管路区处于一个高速横向流的流场中。在流场作用下会产生明显的由漩涡分离及流体弹性失稳引起的流致振动现象。根据管束的结构特点及在横向流作用下的振动行为特性,并根据ASME规范对某套管组件结构进行流致振动分析,结果表明:套管组件新结构可有效避免流致振动发生,而且该套管组件的设计流程可为其他核电厂主设备管束结构的设计提供参考。     

溶剂再生塔重沸器泄漏及振动原因分析

某公司芳烃抽提装置溶剂再生塔重沸器近年来多次发生泄漏,在平时的运行中振动也较明显,塔体也有明显的振动。根据GB151—1999对横向流诱发振动的可能性进行了验算分析,认为紊流抖动和流体弹性不稳定引发了管束振动,在振动和腐蚀的联合作用下导致了管束的泄漏。同时提出了解决办法：增加支持板数,更改换热管材质。     

基于流固耦合的换热管束振动分析

阐述了换热器管束振动的机理、破坏形式以及换热管共振特性的研究方法。突破传统研究方法的局限性,运用有限元分析软件,采用流固耦合的方法对换热管共振特性进行了研究。结合某油田项目中一台管壳式换热器,对单根换热管共振特性、换热管束共振特性影响因素以及动态响应特性进行了全面研究,得出了调整换热管束共振频率、避免共振的有效方法,结论具备一定的工程应用参考价值。     

换热器管束腐蚀失效原因及防护措施研究

为解决换热器管束在实际应用中腐蚀严重导致设备使用性能降低的问题,在对换热器管束腐蚀及其防护机理研究的基础上,通过制定检测方案对已腐蚀的换热器管束的外观和SEM、EDS进行检测,充分掌握换热器管束发生腐蚀的主要原因;基于上述检测结果,通过在换热器管束表面电镀Ni-P合金和将软化处理后的地下水更换为循环冷却水的方式达到防腐目的。     

再沸器的失效分析及延寿研究

本文根据E— 6 2 0再沸器的失效形式 ,通过振动分析计算、管子—管板焊接接头的三维有限元应力分析、胀焊性能试验 ,认为失效的原因是壳程流体的横向流作用使管子产生小振幅的振动 ,给管子—管板连接处施加了一周期性的交变应力 ,导致管口疲劳破坏。提出采用折流栅抗振型换热器 ,消除壳程流体的横向流及管束的振动。     

半侧运行时流体弹性激振导致凝汽器冷却管损坏的判别方法及预防措施

凝汽器半侧运行是特殊的变工况运行,能显著提高汽轮机组的可用率。然而半侧运行时,冷却管处于损坏的高风险状态,已有电站在半侧运行时发生冷却管断裂泄漏事故。本文总结了断管缺陷的共性特征,并从事故机理上阐述了流体弹性激振导致冷却管损坏的判别方法。凝汽器半侧运行时可以结合变工况计算和流体弹性激振的经验公式,绘制运行振动曲线,根据振动曲线选择合理的降负荷措施,避免流体弹性激振导致的冷却管损坏。     

壳体出入口位置对中心管振动影响规律分析

基于流固耦合全域求解理论,采用数值模拟方法,以管壳式换热器壳体内流体与中心管为研究对象,建立了充液圆筒内中心管流固耦合动力学模型和计算方法,分析了沿壳体不同轴向和圆周方向流体出入口位置不同时的中心管振动状态。结果表明:当流体出入口位置沿轴向位置变化时,在入口位置一定,流体出口位置距离入口位置越近,中心管振动越剧烈;在出口位置与入口位置距离流体域中心距离相同,出入口位置距圆筒中心越远,中心管振动越剧烈。当流体出入口位置沿周向变化时,流体出口位置距离入口位置越近,中心管振动越剧烈,即流体入口方向与出口方向夹角最小时,中心管振动最强。为管壳式换热器这类结构出入口设计及管束振动分析提供理论依据。