换热器内多排弹性管束壳程流体诱导振动响应的数值分析

为了研究弹性管束在壳程流体诱导下的振动特性,基于双向流固耦合分析的顺序求解法,对单排和多排弹性管束在壳程流体诱导下的振动响应进行了数值研究。研究表明壳程流体诱导弹性管束的振动主要表现为面内振动,且监测点各方向的振动存在明显的谐频。流体诱导下各排管束间的振动相互影响,最底部管束的振动强度最低,其余各排管束的振动强度由下到上呈逐渐递减的趋势,顶部部分管束的振动频率偏低。由于管束重力和流体冲击力的相互作用,最底部管束的振动平衡位置位于管束平面的上方,其余各排管束的振动平衡位置位于管束平面的下方,且各排管束的振动平衡位置由下到上逐渐降低并趋于稳定。     

基于不同截面形状的螺旋弹性管束换热器传热特性分析EI北大核心CSCD

为探究截面形状对螺旋弹性管束(spiral elastic tube bundle,SETB)换热器传热性能的影响,基于四种截面形状(四边形、六边形、椭圆形和圆形),采用双向流固耦合计算方法,对单层四螺旋弹性管束在不同入口速度条件下的振动和传热特性进行了研究。结果表明:不同截面形状的螺旋弹性管束在换热器内不同安装位置的振动响应有明显的不同。截面为椭圆形的螺旋弹性管束在振动和不振动条件下的传热系数最高,管束圆周上的局部传热系数最大,说明管束截面形状为椭圆时的传热性能最佳。振动能够实现强化传热,但振动剧烈的螺旋弹性管束其传热性能并不一定最佳,在进行螺旋弹性管束换热器设计时,并不是要一味追求高强度的振动,还要综合考虑螺旋弹性管束的安装位置和截面形状。     

脉动流发生装置诱导弹性管束振动的实验研究

为了实现对换热器内弹性管束振动的有效激发和控制,提出了一种新型脉动流发生装置,搭建了脉动流诱导弹性管束振动测试实验台,测试了换热器内各排弹性管束在不同工况下的振动响应。结果表明:在脉动流发生装置诱导下,弹性管束主要有两个振动频率,一个频率基本不受入口流速的影响,另一个频率随入口流速的增加而增加;提出的脉动流发生装置,一方面使弹性管束的振动强度明显增加,另一方面在一定程度上解决了各排弹性管束振动不均的问题。     

大型管壳式换热器的随机响应分析

换热器管束的振动破坏问题是严重影响换热器运行安全性的一个关键问题。根据随机振动理论对管壳式换热器流体诱导管束振动进行了分析，建立换热器管束振动的力学模型，确定流体激振力分布，应用随机振动理论推导出换热器管束振动随机响应的均方根和谱密度。研究表明，采用随机振动理论可以较好地预测管壳式换热器管束流体诱导振动；纵向流换热器与折流板换热器相比，具有优异的抗振性能。     

管壳式换热器管束防振动设计改进探讨

以典型管壳式换热器管束破坏现象案例分析,结合客户实际工况要求,对管束防振动采取相应的改善设计,优化管束折流板支撑形状,并规范进、出水管设计要点等,有效提高管束防振动功能,效果良好。     

流体诱导弹性管束振动响应数值分析

基于流固耦合问题的弱耦合法,研究弹性管束不同流速的壳程或/和管程流体诱导下的振动响应。研究表明,流体诱导振动幅值随壳程或/和管程流速的增加而增加。与相同管程流速条件相比,壳程流体引起的振幅较大。随壳程流速增加监测点振动频率增加;随管程流速增加监测点振动频率基本不变。壳、管程流体耦合诱导的振动位移曲线与仅壳程流体诱导的振动位移曲线类似,说明弹性管束工作过程中的振动主要由壳程流体诱导。流体诱导的振动频率接近管束第一阶固有频率时,监测点在y、z方向振幅逐渐趋于峰值。流体诱导弹性管束的振动主要表现为面内振动。     

基于复模态的空间锥螺旋管管内流固耦合振动特性的有限元分析*

空间锥螺旋管束作为一种新型流体诱导弹性传热元件,由于其锥型螺旋结构,管内流动产生的非比例阻尼对其固有振动特性影响明显.基于此,采用有限元法研究螺旋管束管内流固耦合振动特性,通过螺旋升角变换、螺旋单元坐标变换以及对连接体的简化处理,建立了管束振动状态方程,依据复模态理论分析了科氏力所致阻尼对空间锥螺旋管的频率的影响.结果表明:管内流动对锥螺旋管束基频影响很大;由于科氏力所致阻尼阵的存在,螺旋管束在管内流固耦合作用下呈现复模态;随着螺旋节距及流速的变化,管束的基频及阻尼比发生变化.     

考虑双向流固耦合的换热器弹性管束流致振动特性三维数值模拟研究EI北大核心CSCD

为研究换热器管束的流致振动特性,开展了考虑双向流固耦合情况下的换热管束三维数值模拟研究。建立换热管及管内外流域的三维有限元模型,计算单、多跨换热管的固有频率,考虑到换热管与支撑板之间的有效支撑具有随机性,对支撑板失效情况下的四跨管固有频率及振型进行了计算。在此基础上,针对单、多管与管外流域进行双向流固耦合数值模拟分析。结果表明:计算得到的固有频率与理论值误差基本低于3%;同阶固有频率随着支撑失效个数增多而降低;单、多跨管的振动频率与之升、阻力频率一一对应;多跨管对称跨的振动位移曲线形状相似且幅值相近;管束间距越大,管子之间相互影响越小,振动位移曲线越易出现Strouhal振型。     

低温多效海水淡化蒸发器换热管振动监测与分析

低温多效海水淡化蒸发器换热管在振动与腐蚀的作用下容易发生破损,严重危及装置运行的可靠性和淡化水的品质。通过换热管自振频率的测量和管束振动监测,分析不同工况下换热管不同位置的振动信号时域波形图和频谱特征,研究喷淋密度、蒸发量和蒸发温度等因素对换热管振动的影响。研究结果表明,喷淋冲击导致传热管振动强度远大于降膜流动与蒸汽横掠引起的流致振动;在蒸发器运行温度（40℃～70℃）范围内,温度变化对管束振动幅值的影响较小,喷淋密度和蒸发量的增加会导致换热管振动强度增加,且管束的最大振动位移峰峰值未超过相关设计标准。     

基于动态子结构的空间螺旋弹性传热管振动特性研究

弹性传热元件振动的诱发与控制是流体诱导振动强化换热技术的关键,对弹性传热元件固有振动特性的研究至关重要。弹性传热元件一般是多根弯曲管束,通过连接体胀接后悬臂支撑,其结构的复杂性导致直接求解其固有振动特性的困难。依据动态子结构理论,通过超单元技术求解各子结构的刚度矩阵和质量矩阵,并利用固定界面模态坐标综合法数值计算了空间螺旋管束的固有振动特性,分析了不同结构参数对其振动特性的影响。结果表明,空间锥形螺旋管束的振动主要表现为轴向振动;锥度、截面直径等参数对其振动特性的影响较大,管壁厚度、螺旋节距等参数对其振动特性影响较小。     

真实流场中换热管流体诱导振动特性研究

工程用换热器中由于折流板的存在,壳程流体折返冲刷换热管,换热器内流场十分复杂。采用实验和数值模拟相结合的方法对正方形排列节径比为1.25的换热管束在真实流场中的流体诱导振动问题进行分析研究。结果表明:流体折返冲刷换热管,复杂的流体力分布抑制了换热管与漩涡脱落的共振效应。管束边缘换热管受到流体力作用,会极大地偏离原始位置,在新的平衡位置做小振幅振动,振动振幅受管束间隙流速影响较小。管束边缘换热管较大的刚体位移和小幅的高频振动,会加剧换热管与折流板间的切割效应。该研究结果可以作为大型换热器局部流体诱导振动分析与标准完善的依据。     

低温多效海水淡化蒸发器换热管振动监测与分析

低温多效海水淡化蒸发器换热管在振动与腐蚀的作用下容易发生破损，严重危及装置运行的可靠性和淡化水的品质。通过换热管自振频率的测量和管束振动监测，分析不同工况下换热管不同位置的振动信号时域波形图和频谱特征，研究喷淋密度、蒸发量和蒸发温度等因素对换热管振动的影响。研究结果表明，喷淋冲击导致传热管振动强度远大于降膜流动与蒸汽横掠引起的流致振动；在蒸发器运行温度（40℃～70℃）范围内，温度变化对管束振动幅值的影响较小，喷淋密度和蒸发量的增加会导致换热管振动强度增加，且管束的最大振动位移峰峰值未超过相关设计标准。     

两相流作用下旋转三角形排列管束流弹失稳振动特性实验研究

在空气-水两相流实验装置上对节径比为1.48的旋转三角形排列的传热管束进行了两相流作用下的流弹失稳振动特性实验,分别对传热管的升力方向和阻力方向进行测量,研究了传热管束在空泡份额为0,20%,40%,60%,80%和90%下漩涡脱落情况以及发生流弹失稳的临界流速。结果表明:阻力方向没有发生失稳现象;对于同种频率的传热管束,临界流速随着空泡份额的增加而增大;在同一空泡份额下,临界流速与传热管频率成正比;空泡份额低于20%时,传热管束会出现漩涡脱落。     

锥螺旋弹性管束及其振动控制的研究

管束振动的诱导与控制是弹性管束换热器在一定疲劳寿命前提下实现强化换热的重要保证。设计锥螺旋弹性管束和脉动流发生装置并对考虑流固耦合情况下锥螺旋管束的固有模态进行研究;通过谐响应分析,得到锥螺旋管束的频率响应;通过仿真分析脉动流发生装置中绕流体纵向尺寸对各分支管脉动流的影响,确定了工况流速下的绕流体纵向尺寸。结果表明:锥螺旋管束在流固耦合作用下固有频率有所下降;在相同入口流速条件下,随着绕流体纵向尺寸增大,脉动流发生装置同一分支管脉动流强度先增大后减小,而其频率先减小后增大。研究工作对锥螺旋弹性管束换热器设计具有重要意义。     

R142b在水平管束外池沸腾实验研究

研究了替代工质Ｒ１４２ｂ 在沸腾温度为３２９０ Ｋ 时,在光滑管束和机械加工表面多孔管束外的池沸腾换热性能,并探讨了其换热机理。研究结果表明,Ｒ１４２ｂ 在光滑管束外的池沸腾存在明显的管束效应,而在机械加工表面多孔管束外沸腾出现负管束效应     

螺纹管换热器管外流体诱发振动计算

换热器管束振动分析是换热器设计中非常重要的一个环节,直接影响换热设备使用过程中的安全、使用寿命和噪声等性能。通过对某一螺纹管换热器的振动分析,分别采用HTRI软件和标准GB/T 151—2014的方法进行计算和比较,并结合两种算法来进行振动计算,得出了较为可靠的结论。     

机械零件振动的可靠性设计

以传统的振动设计方法为基础,提出了机械零件振动的可靠性设计方法。把机械零件的固有频率、激振力频率、振动响应按照实际处理为随机变量,使用概率设计法确定机械零件振动设计的可靠度。文中介绍了机械零件振动设计量分布参数的确定方法和避开(或落入)共振、限制振动响应、避开流体诱发振动的可靠性计算模型。给出了旋转机械的转子、叶片、轴承、壳体、热交换器的管束和振动机械的可靠性设计分析方法和一些应用实例。     

折流板对锥形螺旋管束壳程传热性能的影响

以锥形螺旋弹性管束(conical spiral elastic tube bundle, CSETB)换热器为研究对象，通过在换热器内增设脉动/引流折流板，以期获得具有更高传热性能的弹性管束换热设备。通过采用双向流固耦合计算方法，研究了不同壳程入口流速和不同结构方案下CSETB换热器的振动强化传热性能。研究表明，CSETB的振幅随流速的增加而增加，仅增设脉动折流板可使CSETB表现为相对大幅高频振动，同时增设脉动、引流折流板可使CSETB表现为相对大幅低频振动。增设折流板可使流体流动的规律性和温度场分布的层次性增强，且能使换热器的壳程传热能力获得大幅提高。振动能够实现强化传热，这种强化传热的程度在高流速时更明显，且增设折流板能明显提高CSETB的振动强化传热性能。此外，引流折流板的存在使换热器的综合传热性能降低。     

管束结构的阻尼控制型流弹失稳特性研究

尽管自2012年SONGS事故以来,流弹失稳对管束结构的危害性和重要性再次引起了重点关注,但对导致这种不稳定现象的根本因素仍未确定。为进一步研究流弹失稳的基本物理机制,以压水堆蒸汽发生器通常采用的平行三角形管束为对象,基于开源CFD(computational fluid dynamics)工具OpenFOAM,同时耦合管的动力学方程,求解具有移动边界的非定常Navier-Stokes(uRANS)方程,建立了研究阻尼控制型不稳定机制的数值模型,进而预测管束的流固耦合振动,揭示影响阻尼控制型不稳定机制的关键参数和流动响应;重点讨论了不同质量阻尼参数下,系统的响应特性、能量输入与耗散,升力与位移间的相干性、相位差、相关系数,升力的频谱特性,主导激励机理。进一步揭示了管束流弹系统中占主导地位的激励机理和关键流动现象,有助于理解管束与流体之间的相互作用机理,同时为工程中使用开源CFD工具OpenFOAM预测流弹失稳行为提供了参考。     

降膜式蒸发器管束间流量分配均匀性对其性能的影响

通过模拟计算讨论降膜式蒸发器在运行过程中,换热管束内外流体不均匀分布对换热器整体性能的影响。管外性能的模拟计算采用根据管束中换热管位置、沿换热管束长度方向上网格离散的三维网格格式,管内性能的计算采用三维CFD计算方式。计算和分析表明,换热流体在换热器中的分布均匀性对换热器内管外局部干斑出现的比例,以及整体性能有明显的影响。