论文部分内容阅读
弹性管束利用流体诱导振动实现无源强化换热,在换热器中有良好的应用前景。在相同条件下,锥螺旋弹性管束具有疲劳强度和换热效率高等特点,在弹性管束换热器中有一定的优势。而弹性管束的振动诱导和控制是其在一定疲劳寿命下实现强化传热的重要保证,利用分布式脉动流对弹性管束进行振动诱导和控制已在平面弹性管束换热器中得到验证。本文对锥螺旋弹性管束及其分布式脉动流发生装置进行结构参数设计并进行仿真分析,对换热器内壳程流场及耦合流场下的管束振动响应进行数值分析,搭建实验台测试耦合流场诱导下锥螺旋弹性管束的振动响应。研究工作对弹性管束振动的诱导和控制以及锥螺旋弹性管束换热器的设计具有重要意义。本文的主要研究工作归纳如下:(1)设计了锥螺旋弹性管束并建立了有限元分析模型,仿真分析了锥螺旋弹性管束的固有特性及谐响应特性,为分布式脉动流发生装置中绕流体尺寸的选择提供了依据。在管内流固耦合作用下,锥螺旋弹性管束各阶固有频率下降。在管内外流固耦合作用下其固有频率进一步下降,其中低阶固有频率下降幅度较大。脉动流激励频率应接近锥螺旋弹性管束的某阶固有频率以加强管束振动幅度。(2)设计了分布式脉动流发生装置并建立了几何模型和内部流场仿真分析模型,分析了绕流体纵向尺寸和入口流速等参数对脉动流频率及强度的影响。在相同的入口流速下,随着绕流体纵向尺寸增大,分布式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。分布式脉动流发生装置不同分支管内产成的脉动流频率和强度的相对变化量较低,脉动流的一致性较高。(3)建立了换热器壳程流场与锥螺旋弹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监测点的振动响应。锥螺旋弹性管束的振幅受壳程入口流速的影响较大,振动主频受入口流速的影响较小。在相同入口流速下,各排锥螺旋弹性管束的振幅从上到下先增大后减小,在壳程流场诱导下各排锥螺旋弹性管束的振动均匀性较差。(4)建立了锥螺旋弹性管束在脉动流场和壳程流场耦合作用下的仿真分析模型,对换热器内锥螺旋弹性管束在耦合流场诱导下的振动响应进行了仿真分析,分析了分布式脉动流发生装置在激励各排管束振动时的作用,并进行了实验研究。在稱合流场的作用下,各排锥螺旋弹性管束的振动均匀性较好。分布式脉动流发生装置可以实现对管束振动的有效激励和控制,提高了锥螺旋弹性管束的振动强度和各排锥螺旋弹性管束的振动均匀性。