管壳式换热器流体激振机理

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　　换热管束的震动是由壳程流体的诱导振动引起的，包括漩涡脱落、紊流抖振、流体的弹性激振等形式。其中，弹性激振是最主要的振动形式，并且漩涡脱落和紊流抖振对它起一定的促进作用。本文主要从上述三方面阐述管壳式换热器流体振动原因。

　　一、漩涡脱落

　　当漩涡脱落频率与管子固有频率一致时，管子便会发生共振。两相流体横向流过管束时，只有当体积含气率或空隙率ε 小于15%时才会发生周期性的旋涡脱落激振。

　　固定方式为弹性支撑或允许发生弹性形变时，脉动力将引起柱体发生周期性振动，同样柱体的振动会进一步影响尾流旋涡脱落形态。这种流体与结构物之间相互作用的问题即流致振动。

　　1、计算原理公式
　　从单管表面脱落的旋涡频率，可利用捷克物理学家斯特罗哈由实验得到的公式来计算：

　　式中，fs 为旋涡脱落频率，或单位时间产生的旋涡数;d 为管外径，m;St为斯特罗哈准数，无量纲，是Re数的函数。

　　管束中的旋涡脱落频率计算式与式单管的漩涡脱落频率是相同的，但式单管中的v 需改用管间隙处的流速v。斯特罗哈数也应按下图(陈延年根据声共振的数据得出的)中的数据选取。

　　管束的St 数

　　Fiz-Hugh 提出的覆盖的节径比更大

　　2、共振时的振幅
　　根据受迫振动理论，管子在共振时的振幅可按下式计算：

　　式中，CL 为脉动的升力系数;ξn 为第n 振型时管子的阻尼比;φn(x) 为管子的第n阶振型。

　　v(x) 为管间隙处非均匀分布的流速 (m/s)，利用下式可计算其有效值：

　　当流速为均匀分布时，Mn 为第n 振型的广义质量，Kg/m，且

　　式中，m(x) 为单位长度管子的总质量，Kg/m。如果质量沿管长均匀分布，则Mn=m。

　　二、紊流抖振

　　紊流抖振的机理首先是由欧文 (Owen) 提出。他认为在节径比较小的紧密排列的管束内部，管子成为破涡器，使周期性的旋涡衰减并演变成为紊流旋涡。紊流旋涡有一主导频率(或称主频率)且随横流速度增加而增加。紊流旋涡的各种频率成分分布在主导频率周围形成一相当宽的频带。当主导频率与管子的固有频率一致时，便产生相当大的能量传递，因而导致管子的振动。在多数情况下湍流诱发振动不可避免的。

　　1、紊流抖振主频率计算
　　Owen利用气体横向流过管束的实验结果，提出了计算湍流抖振主频率的经验公式(该公式是否合适用于液体，尚有待实验证明)：

　　式中，ft 为紊流抖振主频率，Hz;v 为通过管间隙的横流速度，m/s;d 为管子外径，m;T、L为分别为管子横向与纵向的管间距，m。

　　2、紊流抖振共振条件


　　(1) 共振的条件
　　在管间距较小的管束深处，流体经过曲折流道产生的极度紊流将遏制周期性旋涡的脱落。紊流可能成为激起振动的控制因素。如果紊流抖振主频率接近管子任何一阶的固有频率，也将导致管子共振。共振时应计算管子的最大振幅。

　　(2) 共振时的振幅

　　三、流体弹性激振

　　流体弹性激振也称流体弹性不稳定性，流体弹性不稳定性是动态的流体力与管子运动相互作用的结果。当流体速度较高时，流体给予管子的能量大于管子的阻尼所消耗的能量。在流体力作用下，管子将产生大振幅的振动，很短时间内便遭到破坏。

　　无论是气体、液体、还是两相流体当其流过管束时，最常见到的与最具有破坏性的就是流体弹性不稳定性。因此它也是最重要的激振机理。

　　1、特性
　　管束中任何一根管子的运动都会改变与其相邻管子周围的流场，使流场呈非对称振荡变化，流体力也随着变化。变化的流体力将驱使该管附近的管子也运动起来。这些管子的运动反过来又改变流场以及作用在原先那根管子上的流体力。因此，一根弹性管位移所导致作用在邻近管子上的流体力，使后者也产生弹性位移。管子上的流体力不仅与管子本身位移有关，且与邻近管的位移也有关。这种流体力与弹性位移之间相互作用产生的振动，便是通常所称的流体弹性不稳定性，或称为流体弹性激振。

　　2、公式
　　当管束发生流体弹性激振时，欲要计算临界速度，从实用观点考虑，通常都是利用Connors首先提出的半经验关联式来求得的，即：

　　式中， vc 为临界速度，m/s;m 为包括流体附加质量在内单位长度管子的质量，Kg/m;ρ 为管外流体的密度，Kg/m3;f 为管子的固有频率，1/s;δ 为管子的对数衰减率;K 为经验系数。

　　根据connors在单排管中求得的数据，K值取9.9显然是过高了。建议在上图所表示的整个质量阻尼参数范围内，对各种排列形式的管束，一律推荐取K=3.3。

　　而ASME规范建议，当管子在气体中的阻尼比为0.005在蒸汽或液体中的阻尼比为0.015时，可按图中的实线取K=2.4。

　　四、FLUEN软件工程应用

　　1、泡罩流场VOF
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　　2、VOF气泡上升

　　3、VOF、动网格

　　4、风洞喷管设计

　　来源：豪迈化工技术公众号(ID：himilehg)

honeybay

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