不等频率管阵流体弹性不稳定性研究

• 作 者: 李昭
• 出 处: 天津大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 折流杆换热器 支撑失效 不等频率管阵 流体弹性不稳定性

折流杆换热器因其结构简单,传热高效而被广泛采用,但是换热器中支撑失效的存在会导致管阵中某些换热管固有频率降低,形成不等频率管阵,极易引起流体弹性不稳定性,造成换热器破坏。研究支撑失效和不等频率管阵的流体弹性不稳定性研究对折流杆换热器的设计和运行有重要意义。本文采用数值计算的方法研究了发生支撑失效时换热管固有频率的变化规律,得到了不同位置和数量支撑失效对换热管固有频率和振型的影响。结果表明,换热管固有频率与支撑失效的位置、数量和支撑的约束方向等因素有关。单支撑失效的时会明显降低换热管的1阶固有频率,最大降幅达62.1%,但对高阶(2阶以上)模态无明显影响;两支撑失效时,换热管模态与两个失效支撑的距离和原约束方向均有关。利用水洞实验装置和基于高速摄影的可视化采集系统,研究了排布形式为转角三角形和正方形,节径比为1.4和1.28的不等频率管阵中管束的振动特征。提出了频率分散率的概念用来描述管阵的频率特征,得到了不等频率管阵的流体弹性不稳定性特性与频率分散率的关系。结果表明,正方形排布的管阵临界流速随频率分散率的增大而增大,且该现象在两种节径比中均存在,节径比为1.28的8mm管的临界流速增幅达28%,转角三角形中未发现此现象。频谱分析表明,等频率管阵和不等频率管阵的振动特征变化规律基本一致。采用数值计算方法,研究了正方形不等频率管阵的流固耦合规律,分析了数值计算模型与实验结果的区别,研究了转角正方形和三角形排布不等频率管阵的临界流速情况。数值计算结果表明,计算所得的临界流速与实验结果误差为13%。频谱分析表明,数值计算的换热管振动频谱与实验结果基本相同。基于以上研究结果,本文采用数值模拟方法研究了三角形排布和转角正方形排布的不等频率管阵流体弹性不稳定性规律,结果表明,三角形排布临界流速随着频率分散率的提高而增大,转角正方形排布的等频率管阵临界流速小于不等频率管阵,而不等频率管阵的临界流速基本相同。