换热器管束中的流体弹性不稳定性

文中重点讨论了管壳式换热器管束中的流体弹性不稳定性．从工程实用的观点出发，应用了Ｌｅｖｅｒ与Ｗｅａｖｅｒ的“流管”模型，在建立管子振动的基本方程时则认为管子作周期性的衰减（或发散）运动，以复数解法进行求解．根据所获得的对比流速与质量阻尼参数之间的关系画出的稳定区图，可用来确定管子的流体弹性不稳定性或该时的临界流速．实验数据表明，理论计算结果是令人满意的．

正方形排布管束流体弹性不稳定性数值计算模型研究

研究了正方形排布管束的流体弹性不稳定的数值计算模型。在刚体运动方程与Newmark积分方法的基础上建立了三维流固耦合振动模型。对湍流模型与模型的轴向尺寸影响进行了计算分析研究,结果表明采用LES模型比RANS模型更为准确,轴向尺寸d的模型可以反映完整的流场信息,在此基础上,提出了适用的计算模型。采用计算模型对临界流速进行了计算,并同文献实验数据进行了对比,结果显示计算的临界流速同实验数据吻合较好,振幅计算在低速时精度较高,在高速时误差较大。研究结果为数值计算模型的应用提供了参考和依据。

管束的流体弹性不稳定性的研究

基于Lever与Weaver的“流管”模型,本文对换热器管束的流体弹性不稳定性进行了较深入的研究。认为管子作周期性的衰减(或发散)运动。基本方程以复数形式表示,并用复数解法来求解。证明了作用在管上的流体力与管子运动时的位移、速度、加速度密切相关。作出的稳定区图可用来判断管子是否发生流体弹性不稳定现象。将节径比为1.25,1.32与1.41的正方形排列的管束,依次放入风洞中进行试验,取得了令人满意的结果。

黏弹性流体纯弹性不稳定现象研究综述

近年来黏弹性流体流动的纯弹性不稳定现象引起了越来越多学者的关注与研究,与牛顿流体惯性不稳定现象不同,这种现象是由黏弹性流体流动中的弹性应力和黏性力之间相互作用,使得在较低的雷诺数Re下即可产生复杂的流动分岔不稳定现象.当流动中的弹性数较大时,在Re<<Rec(惯性不稳定性产生的临界雷诺数)下,黏弹性流体流动中也可能产生完全由弹性应力引起的纯弹性不稳定现象.以Taylor–Couette流动为基础,对黏弹性流体流动中产生纯弹性不稳定现象的研究现状从实验、理论分析和数值模拟3个方面进行总结.通过对比这3个方面,总结了弹性流动不稳定现象发生的过程与机理、流动不稳定性产生的影响因素及其作用方式,并对目前研究的不足之处以及今后可能的发展趋势作了分析和展望.

刚性管对正方形排布管束流体弹性不稳定性的影响研究

采用水洞试验,将中心管上下游不同位置管束改为刚性管,测定了不同流速下中心管的振动响应,研究了刚性管对正方形排布管束的流体弹性不稳定性的影响。试验结果表明,上游刚性管对中心管振动的抑制效果比下游刚性管明显。上游刚性管数量的不同对中心管振幅的影响较小,但对其临界流速的影响较大。上游刚性管间距的不同对中心管振幅和临界流速的影响不同。试验结果可为工程实践提供参考和依据。

同心圆排布管束流体弹性不稳定性模拟研究

流体弹性不稳定性是换热器管束振动中最重要的激振机理,对同心圆排布管束的流体弹性不稳定性研究可以为该类型换热器的设计制造及维护提供参考。基于同心圆排布的几何特点,建立了类正方形排布、过渡排布和类三角形排布3个具有代表性的物理模型,采用 ANSYSCFX软件进行了流固耦合模拟计算,获得流场信息和振动特性。通过对同心圆排布不同位置处的临界流速、主振方向进行分析,发现主振方向会随间隙流速增大,由顺流方向变为横流方向;在 3种排列中,类正方形排布区域临界流速最大,过渡排布区域临界流速最小,结果表明,同心圆排布管束中过渡排布最易失稳,在设计及工程应用中应重点关注该区域。

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型,介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展.通过线性稳定性理论,分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, DarcyBrinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman-Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响.利用弱非线性分析方法,揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况,以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式.采用数值模拟方法,研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的,而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞,最后发展为混沌状态.

换热器管束的流体弹性不稳定性

基于Lever与Weavar的“流管”模型,对换热器管束的流体弹性不稳定进行了研究。基本方程利用复数解法进行求解。证明了作用在管上的流体力与管子运动时的位移、速度、加速度密切相关,得出的稳定区图可用来判断管子是否发生流体弹性不稳定现象。模型管束为正方形排列,节径比为1.25、1.32与1.41。试验在风洞中进行。计算结果与实验数据相符。

小节径比管阵流体弹性不稳定性的实验研究

流体弹性不稳定性是导致换热器管束振动失效的重要原因之一。刚性管阵中一根弹性管的测试经常被用作简化方法来研究全弹性管阵的流体弹性不稳定性,但其是否适用于小节径比的管阵目前尚无一致的结论。文中采用水洞实验对节径比1.28,正方形排布的刚性管阵中一根弹性管的振动特性进行了研究,并与全弹性管阵进行对比,验证上述简化方法对于小节径比管阵的适用性,同时也对比分析了2种管阵的振动特性的区别。结果表明:对于节径比较小的管阵,不可用刚性管阵中一根弹性管的简化方法来代替全弹性管阵研究管束的流体弹性不稳定性。全弹性管阵中的管束失稳后的不稳定行为比刚性管阵中一根弹性管束更为剧烈。刚性管阵中弹性管的主振方向为横流方向,而全弹性管阵中则是一个变化的过程。实验结果为小节径比管阵的流体弹性不稳定性的研究提供参考和依据。

黏性流体中超细长弹性杆的动力学不稳定性

基于坐标基矢摄动的方法研究了黏性流体中超细长弹性杆动力学稳定性判据与失稳后的模态选择,推导出了黏性介质中超细长弹性杆Kirchoff动力学方程的一阶摄动表示,即线性的二阶偏微分方程组.以平面扭转DNA环为例,说明了以上结果的应用,得到了平面扭转DNA环的稳定性判据及其稳定的临界区域,讨论了其失稳后的模态选择及黏性阻力对其的影响.

稀醋酸酐冷凝器流体弹性不稳定性分析

流体弹性不稳定性是最常见、最具破坏性的换热器管束激振诱因。但由于两相流的流体弹性不稳定性研究尚不成熟,国内外各个标准给出的分析方法,仍然是基于单相流的理论,尤其是临界流速的计算,并未考虑两相流流型的影响,是不完善的。文章以稀醋酸酐冷凝器为研究对象,分别采用GB/T 151—2014《热交换器》计算方法和推荐的两相流计算方法来校核管束的流体弹性不稳定性,并对不同计算方法进行对比与分析。结果表明:针对文章算例,采用GB/T 151—2014《热交换器》计算方法得到的临界速度比按两相流计算得到的临界速度高,会为换热器埋下流体弹性振动的隐患。

影响管阵流体弹性不稳定性因素的研究

研究了管阵中管数,纵向流的作用以及U形管等对管阵流体弹性不稳定性的影响。介绍了用求解模态展开后的振动方程计算管阵的临界流速的方法。给出了简化处理耦合问题的单一振型法和频率截断法。并推导出考虑非均勻流、纵向流存在和U形管的基本方程。

基于表面涡方法的单列圆柱流体诱导振动及流弹性不稳定研究

基于表面涡方法和流固耦合模型研究了Re=2.67×104时的单列圆柱流体诱导振动问题,计算了流体力、振动响应、涡脱落频率等,并给出了涡云图。计算模拟结果很好地重现了刚性单列圆柱在T/D=1.5(小间隙比)下以宽窄尾涡交替和多频为特征的非均匀流态,以及T/D=2.0的涡脱落现象。此外,该文还研究了单列弹性圆柱在T/D=1.5时的流体诱导振动以及流体弹性不稳定问题,计算了SG=1.29时圆柱列的无量纲临界速度。

关于换热器管阵流体弹性不稳定性临界流速工程计算方法的建议

本文对我国现行国标“钢制管壳式换热器”(GB151—89)中关于流体弹性不稳定性临界流速的工程计算方法(参考性附求F,F2.3节)提出了修正与补充建议。这些建议是根据作者的计算结果,并参考了国外在流体诱发振动方面的著名学者S.S.Chen,D.S.Weaver和H.Tanaka等人近年来所发表的实验与计算结果而提出的。

非绝热二维滞弹性流体的动力稳定性

采用滞弹性近似下的二维流体动力学方程组 ,讨论了中尺度对称扰动的动力稳定性 ,得到其绝热情况下对称不稳定的判据条件。研究结果表明 ,相对于浅对流的情况而言 ,深对流情况下对称不稳定的条件更为苛刻一些。在考虑非绝热加热时 ,扰动增长率随其波长的变化会产生间断现象。中低层加热明显对中 -β尺度扰动具有激发增长的作用 ,并且促使扰动向暖区传播。而中高层加热则具有一定的差异性。

U型管阵流体弹性不稳定性分析

从U型管振动方程出发,推导出 U 型管阵流体诱发振动方程,给出了管阵出现流体弹性不稳定性临界流速的计算方法及算例。结果表明:管阵的临界流速与其频率取 U 型管阵中各管子一阶频率平均值的直管管阵的流速基本一致。

非线形粘弹性流体的稳定化有限元方法研究

对遵循OldroydB型粘弹性动问题 ,提出了一种基于流线迎风Petrow Galerkin方法和最小二乘法相结合的稳定化有限元方法 .这种方法有效地解决了以往粘弹性流体研究过程中出现的由于应力方程对流控制占优引起的拟振动现象和有限元空间组合不匹配产生的不稳定现象 .近似应力 ,速度和压力分别是Pk 连续的 ,Pk+ 1和Pk 的 (k≥ 0 ) .假定连续问题满足充分光滑且小的解 。

流体诱发换热器管束弹性不稳定性的数值模拟

针对常规换热器频发的振动破坏现象,课题组基于动网格技术和双向流固耦合方法,建立了流体诱发管束振动的三维数值模型。采用数值模拟对实验难以获得的管束振动轨迹进行了补充;研究了管束发生流体弹性不稳定性时主振方向的变化;分析了管子位置的分布对振动的影响;探究了管束的排列方式和节径比对流体弹性不稳定性的影响。结果显示:流体弹性不稳定性先发生在曳力方向,后发生在升力方向;位于边缘的管子的振幅大于中间管子的振幅;在4种排列方式的管束中,发生流体弹性不稳定性从难到易依次为正方形、正三角形、转置正方形、转置正三角形;在一定的范围内,节径比越小,越易于发生流体弹性不稳定性。课题组对换热器管束在模拟方面的研究可对工程应用起到一定的指导作用。

管阵流体弹性不稳定性分析

在设计换热器、蒸汽发生器等核电站和石油化学工业设备的管阵时都会遇到横向流作用下的流体诱发振动问题.无论是从引起振动的可能性,还是从产生振动后的危害性来看,流体弹性不稳定性是管阵流体诱发振动的最重要机理.本文在比较、分析现行的流体弹性不稳定性数学模型的基础上,提出了一种新的数学模型,给出了不稳定性临界流速的计算方法,开发了相应的计算机程序.与实验结果和其它理论模型的计算结果比较表明:本文模型应用方便,得到的结果与实验结果基本一致.

螺旋管蒸汽发生器流体弹性不稳定性简化分析

利用平面圆环模拟螺旋管结构,采用平面圆环动态固有特性解析结果,结合流体力慨念,提出一种螺旋管蒸汽发生器失稳临界流速的简化解析分析方法.采用该方法对20MW模型堆和200MW模型堆进行了流体弹性不稳定性分析,并与采用直管流弹不稳公式的计算结果进行了比较.试验结果验证了本文方法的可靠性.