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空间锥螺旋管束流体诱导振动换热器及性能分析点击：1714 日期：[ 2014-04-26 21:35:20 ] |
| 空间锥螺旋管束流体诱导振动换热器及性能分析 闫柯１，葛梦然２，高军２，葛培琪１ （１．山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室，２５００６１，济南；２．山东大学威海分校机电与信息工程学院，２６４２０９，山东威海） 摘要：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． 关键词：空间锥螺旋管束；流体诱导振动；换热特性 中图分类号：ＴＢ５３ 文献标志码：Ａ 文章编号：０２５３－９８７Ｘ（２０１１）１１－００２２－０５ 管束振动具有强化传热的作用，已有研究表明，管束振动能够提高换热效率，最大约可以提升９倍［１］，其中无源振动强化传热［２－３］由于不需要消耗高品质能源而受到了广泛研究．文献［４］提出了流体诱导振动强化传热的思想，即用弹性管束替代传统的刚性传热元件．用流体诱发的弹性管束的振动强化换热来设计平面弹性管束换热器，已成为目前无源振动强化传热广泛关注的研究课题． 文献［５］提出了一种弹性管束流体诱导振动的理论计算模型，为复杂结构弹性管束诱导振动分析提供了理论方法．文献［６－７］研究了平面弹性管束的固有振动特性及应力分布特点，结果表明：平面弹性管束的振动分为面内振动和面外振动，由于其为悬臂支撑结构，所以管束固定端应力较大．在脉动流诱导的作用下，平面管束的面内外呈现复杂的三维振动，导致管束的固定端容易发生疲劳破坏．文献［８］研究了螺旋管束的换热与流动特性．文献［９］建立了空间锥螺旋式弹性传热元件，在相同的振动参数下，螺旋管束的最大应力大约是平面管束的１／４．相对于平面管束，空间锥螺旋管束的优势在于，其改善了应力分布，在利用诱导振动的同时延长了疲劳寿命，另外通过螺旋结构来增强管内二次流可实现复合强化传热．目前，针对螺旋管束的研究主要集中在单排管束的管内外流固耦合振动特性，对多排管束振动、脉动结构、脉动流参数等尚缺乏深入研究． 本文基于动态子结构理论，结合固定界面模态综合法和超单元技术，研究了空间锥螺旋管束的固有振动特性，在此基础上分析了脉动流结构的脉动频率，提出了诱导管束振动的合理频率范围，并对壳程在一定流速条件下的管束横向振动频率进行了计算．同时，基于数值模拟技术分析了空间锥螺旋管束的管内流动特性，研究了管束的截面二次流分布，分析了管束的换热特性． １ 换热器结构及尺寸参数 １．１ 换热器结构 图１为空间锥螺旋管束流体诱导振动的换热器结构示意图，图２为空间锥螺旋管束结构示意图．每排管束（如Ⅰ、Ⅱ）由紫铜管并排成锥形螺旋分布，２个管束的顶部通过一个不锈钢质量块Ｍ胀接相连，螺旋管束的进出口固定在换热器管程进出水的管路上．多排螺旋管束之间嵌套连接．脉动管路的出口与螺旋管束自由端的质量块保持有一定的角度和距离，利用脉动流冲击管束来实现诱导振动． 图３为空间锥螺旋管束流体诱导振动换热器的脉动管路结构，图中脉动流发生元件（圆柱、三棱柱等）放置在管路入口（前端）或者每个分支的出口（后端）．通过脉动流发生元件产生适当频率的脉动流，由此冲击螺旋管束的自由端质量块Ｍ，以诱发管束的振动． １．２ 管束尺寸参数 本文对单排空间螺旋管束的固有特性及换热特性进行了分析，具体的结构参数如表１所示． ２ 管束振动特性分析 ２．１ 单排管束固有振动特性 依据模态综合法原理，管束（Ｉ、ＩＩ）及Ｍ界面处的位移矢量为ｕ１、ｕ２，相应的界面力为Ｆ１、Ｆ２．对于三维振动，每个位移矢量包含３个平动分量和３个转动分量，即ｕｉ＝（ｕｉ，ｖｉ，ｗｉ，θｘｉ，θｙｉ，θｚｉ）．利用超单元法可求解单根螺旋管束的质量矩阵ｍ和刚度矩阵ｋ，通过静力方程可求解主模态和约束模态．由主模态和约束模态组成的变换矩阵可完成一次坐标变化，将管束的物理坐标转换为模态坐标，可得到管束在模态坐标下的振动方程： 根据界面位移的连续条件可以获取独立的广义坐标矢量，利用数值方法求解方程、再经过２次逆向坐标变换可以获得空间锥螺旋管束的频率和振型．参照文献［７］中的参数范围可以计算螺旋管束的固有频率及振型，图４则为管束的固有振型．在低阶频率范围内，螺旋管振动主要表现为轴向振动，在所分析的前２０阶固有振型中，只有第２、第３阶振型为横向振动，其余均为轴向振动．空间螺旋管束前１０阶的固有频率如表２所示． ２．２ 脉动频率分析 在利用脉动流冲击管束时，为了得到较大的管束振幅，要求脉动频率接近管束的固有振动频率，从而形成亚共振［３］．通过Ｓｔ数可以计算脉动元件及脉动管束的参数，通过模拟可以简单验证之．Ｓｔ数的表达式为： ｆｖ＝ＳｔＵｍ／Ｄ（５） 式中：ｆｖ为旋涡脱落频率；Ｕｍ为脉动管内流速；Ｄ为脉动流发生元件的特征长度． 在近似尺度下，平面弹性管束的１阶频率较高，在１０Ｈｚ左右［５］，其要求的诱导频率较高．由式（５）可知，在利用脉动流冲击时，相同结构下要求管内的流速比较大，由此造成泵的功耗较大．平面管束的应力集中现象比较严重，不易于用脉动结构诱导振动．空间锥螺旋管束的应力分布比较均匀，在本文研究的参数范围内，螺旋管束的低阶固有频率在３～７Ｈｚ之间，考虑流固耦合作用，管束的频率可进一步减小［５，７］，这便于诱导振动．在空间锥螺旋管束换热器中，脉动结构的频率选为１Ｈｚ． ２．３ 横向脉动流激励下的管束振动特性 采用谐响应来分析空间螺旋管束在横向脉动流激励下的振动特性．在管束的自由端施加频率为１Ｈｚ的激励力，结合实验流体力参数，根据管束单元的振幅可以计算附加质量，分析管束在工作条件下的振动特性． 空间螺旋管束自由端在横向脉动流激励下的振动如图５所示．从图中可以看出，横向脉动流激励下的管束振动与其横向固有振型近似． 在壳程流体的作用下，管束的固有频率有所下降．根据文献［１０］的计算方法，可将作用于管束上的流体力视为管束单元上的附加质量，则有： 式中：Ａ表示单元节点的位移（振幅）；ｄ为管束直径；Ｕｃ为壳程流速；ＣＬａ（ｘ）为单元节点的阻力系数．通过计算管束在脉动流激励下的节点位移，来求解管束单元的阻力系数，计算附加质量，便可获得管束在一定壳程流动作用下的固有频率． 当壳程流速Ｕｃ＝０．１ｍ／ｓ时，空间螺旋管束的固有频率如表３所示．从表中可以看出，在壳程流动的作用下，管束的固有频率明显下降． ３ 管内二次流及换热特性 ３．１ 管内二次流分析 由于空间锥螺旋管束是锥形螺旋结构，所以从理论上计算管束换热特性存在着一定的困难．本文基于ＣＦＤ数值模拟技术，分析了螺旋管束的换热特性．考虑到空间锥螺旋管束的结构特点，本文采用柱坐标建立了管束数值分析模型，管束壁面网格采用边界层加密来划分，管束截面网格采用非结构化网格，轴向管束采用映射法进行网格划分，如图６所示．计算模型的结构参数如表１所示． 在仿真模拟中，本文忽略了管内流体的振动，并设管束壁温恒定，壁温为３０８Ｋ，管束的入口条件为速度边界条件，入口的温度为２９８Ｋ，雷诺数Ｒｅ＝５０～２ ０００．从螺旋管束的入口开始，依次取３个截面（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）来监视管内流动特性． 对于锥形螺旋管束，其入口处的曲率较小，离心力作用不明显，所以此处的管内二次流不明显．当流动发展为稳定流之后，管束截面上的二次流逐渐显现出来，同时该二次流分为４个涡区，如图７ａ所示．二次流的速度为正值表示流体向外侧流动，负值表示流体向内侧流动．管束曲率增大，管束截面的二次流更加明显，如图７ｂ所示．从图７可以看出，截面Ｓ２上的最大流速为０．０１０ ５ｍ／ｓ，截面Ｓ３上的最大流速为０．０１２ ８ｍ／ｓ，随着管束曲率的增大，正值二次流的涡区随之减小． ３．２ 管束换热特性对比 与平面弹性管束相比，锥螺旋管束的二次流有所增强，换热性能得到了改善．这２种管束在相同的流速和温差下单位面积的换热量及单位长度的压力损失如图８所示．从图８可以看出，随着流速的增大，空间锥螺旋管束单位面积的换热量大约是平面弹性管束的１．４～１．５倍，受管内二次流和管束曲率的影响，空间锥螺旋管束的压力损失比平面管束略有增加． ４ 结 论 本文基于动态子结构理论和数值模拟技术，分析了空间锥螺旋管束固有振动特性，在此基础上研究了脉动诱导结构的频率条件，计算了管束在一定壳程流速下的横向振动频率，同时利用模拟方法研究了空间锥螺旋管束管内二次流特性，并与传统的平面弹性管束进行了比较，结论如下． （１）单排空间锥螺旋管束的固有振动分为横向和纵向振动，其中管束的低阶频率中以纵向振动为主，横向振动较少． （２）空间锥螺旋管束的１阶固有频率较低．在本文的计算参数范围内，考虑到管束与管内外流体的流固耦合作用，脉动结构的频率应在１Ｈｚ左右． （３）空间锥螺旋管束的管内二次流较为复杂，当流动充分发展时，管内截面二次流包含４个涡区．空间锥螺旋管束单位面积的换热量是平面管束的１．４倍以上，而压力损失相对于平面管束仅略有增加． 参考文献：略 |
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