空间锥螺旋管束流体诱导振动换热器及性能分析

基于动态子结构理论、利用固定界面模态坐标变换及超单元技术,分析了空间锥螺旋管束的振动特性和脉动元件诱发管束振动的频率条件,计算了0.1m/s壳程流速、横向脉动流激励条件下空间螺旋管束的振动特性,研究了空间锥螺旋管束管内二次流及其换热特性.结果表明:单排空间锥螺旋管束的振动分为横向和纵向振动,以纵向振动为主;在横向脉动流激励作用下,管束的振动与其横向固有振型近似,空间锥螺旋管束的低阶模态频率较低,易于诱发振动;管内截面二次流分为4个涡区,强烈的管内二次流致使管束换热性能提高,空间锥螺旋管束单位面积的换热量是传统平面管束的1.4倍以上.

管程流体诱导锥螺旋管束振动的实验研究

为了研究换热器内锥螺旋管束在管程流体诱导下的振动特性,搭建了管束振动测试实验台,在管程流速为0.106~0.446 m/s的范围内,利用加速度传感器实测了管束的振动加速度,分析了管束的振动加速度频谱图和振动位移幅值的变化。实验结果表明:在管程流体的作用下,流速为0.106~0.361 m/s时各排管束的振动主频不变,流速继续增大时主频改变;管束振动主频的加速度幅值随流速增加整体上呈现先增大后减小的趋势;管程流体对顶排管束振动的影响最大,自上而下对管束的激励作用逐渐减小。

管内流体诱导锥螺旋弹性管束振动分析

弹性管束换热器通过流体诱导弹性管束振动实现强化换热。弹性管束设计时,需兼顾强化换热和疲劳寿命。对管内流体诱导锥螺旋弹性管束的振动响应进行了研究。通过ANSYS CFX软件仿真分析了锥螺旋弹性管束的固有模态和管内流体流速对弹性管束振幅的影响,并搭建管内流体诱导锥螺旋弹性管束振动试验台。利用加速度传感器,测试了锥螺旋弹性管束监测点的振动加速度信号,对其进行快速傅里叶变换并分析了锥螺旋弹性管束的振动位移响应特性,将数值分析结果与试验值进行了对比分析,验证了数值分析结果的正确性。分析结果表明:锥螺旋弹性管束的振动形式主要表现为纵向振动;管内流体在0.05~0.6 m/s流速范围内,随着流速的增加,管束的振动主频保持不变;振幅随流速增加而增大且振幅增加值逐渐减小。该研究结果为锥螺旋弹性管束的设计提供了依据。

锥螺旋弹性管束及其振动控制的研究

管束振动的诱导与控制是弹性管束换热器在一定疲劳寿命前提下实现强化换热的重要保证。设计锥螺旋弹性管束和脉动流发生装置并对考虑流固耦合情况下锥螺旋管束的固有模态进行研究;通过谐响应分析,得到锥螺旋管束的频率响应;通过仿真分析脉动流发生装置中绕流体纵向尺寸对各分支管脉动流的影响,确定了工况流速下的绕流体纵向尺寸。结果表明:锥螺旋管束在流固耦合作用下固有频率有所下降;在相同入口流速条件下,随着绕流体纵向尺寸增大,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。研究工作对锥螺旋弹性管束换热器设计具有重要意义。

基于复模态的空间锥螺旋管管内流固耦合振动特性的有限元分析

空间锥螺旋管束作为一种新型流体诱导弹性传热元件,由于其锥型螺旋结构,管内流动产生的非比例阻尼对其固有振动特性影响明显。基于此,采用有限元法研究螺旋管束管内流固耦合振动特性,通过螺旋升角变换、螺旋单元坐标变换以及对连接体的简化处理,建立了管束振动状态方程,依据复模态理论分析了科氏力所致阻尼对空间锥螺旋管的频率的影响。结果表明:管内流动对锥螺旋管束基频影响很大;由于科氏力所致阻尼阵的存在,螺旋管束在管内流固耦合作用下呈现复模态;随着螺旋节距及流速的变化,管束的基频及阻尼比发生变化。

换热器内锥螺旋弹性管束振动强化传热研究

为分析换热器内锥螺旋弹性管束的流致振动强化换热情况,采用双向流固耦合的数值方法,分别研究入口流速和管排间距对其在壳程流体诱导下的振动响应及传热特性的影响。结果表明当入口流速由0.5m/s增大到0.9m/s,锥螺旋弹性管束的振动强度明显提高,管束的传热性能提高,流致振动使得管束的传热性能分别提高了5.2%、4.3%和3.5%,管束流致振动强化传热性能增强。随着管排间距从30mm增加到40mm,锥螺旋弹性管束的振动强度增大,流致振动使得管束的传热性能分别提高了2.5%、4.9%和3.1%,且管排间距为35mm时锥螺旋弹性管束的传热性能最佳,管束流致振动强化传热性能也最佳。