换热器管束动态特性分析及流体诱导振动研究

论文摘要

随着工业生产迅速发展和生产规模不断扩大,工业生产中所用的管壳式换热器越来越趋向大型化,管束无支撑跨度增大,刚性变差,为了提高传热效率,流体流速也越来越大,因而换热器流体诱发振动的破坏现象日见增多。据报道,迄今国内外某些工厂的大型换热器因振动而导致破坏的实例屡见不鲜,破坏的严重程度十分惊人。因此,换热器内流体诱导振动的研究已成为当前的重要课题。到目前为止,由于换热器内流体诱导振动的复杂性和计算方法的不成熟性,流体诱导振动机理、换热器管束动态特性和换热器管束发生大幅振动的判别标准等虽经许多科学家大量研究,仍然有很多不清楚和不完善的地方。本文将对换热器管束动态特性、流体诱导振动的激励机理(漩涡脱落、流体弹性激振)、换热器管束振动控制及偏微分方程的数值计算方法进行研究,为保证换热器等化工设备安全运行、节约投资进行有益的探讨。主要工作和创新点如下:1.采用理论分析、数值模拟和实验研究对换热器管束的动态特性进行了较为全面分析,内容包括换热器管束支撑构件的弹性、温度引起的预应力、管束内流体的流速、管束内外流体与换热器管束的耦合作用和换热管与折流板孔之间的间隙对换热器管束动态特性的影响。为准确判断流体诱导振动奠定基础。具体工作如下:根据固定管板式换热器的结构特点,采用有限元法对该结构进行有限元离散,壳体、固定管板、折流板采用空间壳单元模拟、换热管采用空间梁单元模拟,分别建立了精细的有限模型和常规的简化有限元模型,对管束动态特性进行了计算,并对计算结果进行了比较。探讨了弹性支撑和温度预应力对固定管板式换热器管束动态特性的影响,并对常规简化模型计算的准确性进行了研究。利用ANSYS程序的参数化设计语言(APDL),对模型进行智能化网格剖分、材料参数设定、模型几何参数设置,完成了充满液体单管的建模和四种节径比的正方形排列管束的建模,并采用流固耦合法进行了动特性的计算;绘制了管束在水中基阶振型对应的频率和频率带宽随节径比的变化图,得出管束在液体中每阶振型存在一个2n频率带,频率带宽随节径比减小而增大随密度增大而增大,并通过实验进行了验证。通过建立换热管在内流激发下的振动方程,导出了换热管在内部流激发下固有频率的解析表达式。并由此定义了换热管内流离心力对固有频率影响的折减系数。讨论了换热管内流对固有频率的影响,得出了一些有益的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 换热器管束流体诱导振动的研究概况
• 1.2.1 漩涡脱落的研究概况
• 1.2.2 流体弹性不稳定的研究概况
• 1.3 换热器管束动特性的研究概况
• 1.4 本课题研究的目的和意义及主要内容
• 第2章 换热器管束动态特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 弹性支撑对换热器管束动态特性的影响分析
• 2.2.1 结构动态特性的有限元分析
• 2.2.2 参数化设计语言（APDL）简介
• 2.2.3 计算模型及有限元离散化
• 2.2.4 计算结果分析与小结
• 2.3 温度应力对换热器管束动态特性的影响分析及计算模型研究
• 2.3.1 应力刚化
• 2.3.2 计算模型及有限元离散化
• 2.3.3 计算结果分析与小结
• 2.4 换热器管束内外流体对管束动态特性的影响分析
• 2.4.1 基本理论
• 2.4.2 计算模型及有限元离散化
• 2.4.3 具有内部流体的换热管动态特性计算结果与分析
• 2.4.4 具有外部流体的换热管动态特性计算结果与分析
• 2.5 换热器管束外部流体对管束动态特性影响的实验研究
• 2.5.1 实验方案
• 2.5.2 实验装置
• 2.5.3 实验测量及数据处理
• 2.5.4 实验结果分析
• 2.6 具有内流换热管的动态特性分析
• 2.6.1 具有内流换热管的耦合振动方程
• 2.6.2 换热管内流对换热管动态特性的影响分析
• 2.6.3 算例与小结
• 2.7 换热管与折流板孔间隙对换热管动态特性的影响分析
• 2.7.1 计算模型
• 2.7.2 计算结果分析与小结
• 第3章 换热器圆管绕流漩涡诱导振动的数值模拟及不稳定性分析
• 3.1 引言
• 3.2 固定圆管绕流漩涡运动的数值模拟及漩涡脱落频率分析
• 3.2.1 基本方程
• 3.2.2 数值模拟固定圆管绕流
• 3.2.3 漩涡脱落频率计算
• 3.3 弹性支撑圆管绕流漩涡诱导振动的数值模拟
• 3.3.1 基本方程和数值分析方法
• 3.3.2 数值模拟结果及分析
• 第4章 换热器管束流体弹性不稳定性分析
• 4.1 概述
• 4.2 管束流体弹性不稳定性分析
• 4.2.1 物理模型及假设
• 4.2.2 流体弹性不稳定的能量方程求解
• 4.2.3 算例和小结
• 4.3 换热器管束流体弹性不稳定性分析的数值模拟
• 4.3.1 基本方程和数值分析方法
• 4.3.2 数值模拟结果及分析
• 4.4 动力不稳定条件的修正
• 4.4.1 Connors 位移模型及流体弹性激振模型讨论
• 4.4.2 动力不稳定条件的修正
• 4.4.3 算例和小结
• 第5章 换热器管束振动控制探讨
• 5.1 概述
• 5.1.1 结构振动控制的概念
• 5.1.2 结构控制分类
• 5.1.3 换热器中的防振与分析
• 5.2 换热器管束的振动分析与管束振动控制的探讨
• 第6章 数值模拟方法研究
• 6.1 概述
• 6.2 单点子域积分及分析
• 6.3 多点子域积分及稳定性分析
• 6.3.1 多点子域积分
• 6.3.2 多点子域积分的稳定性分析
• 6.4 多点子域积分的蛙跳格式及稳定性分析
• 6.4.1 多点子域积分的蛙跳格式
• 6.4.2 多点子域积分的蛙跳格式的稳定性分析
• 6.5 算例与分析
• 6.6 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢