同心圓排布管束流體彈性不穩(wěn)定性模擬研究

(天津大學(xué) 化工學(xué)院，天津 300350)

0 引言

管殼式換熱器具有服役環(huán)境廣泛、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，在換熱設(shè)備中占有率可達(dá)到70%以上。隨著對(duì)提高傳熱效率的要求越來越高，換熱設(shè)備逐漸大型化、換熱管束無支撐跨距增大、流體流速加快，使流體誘導(dǎo)振動(dòng)問題日益突出，管束因振動(dòng)失效引發(fā)的嚴(yán)重事故增多。引起換熱管束振動(dòng)的主要因素是管外的流體沖擊[1-3]，橫向流誘導(dǎo)管束振動(dòng)的機(jī)理包括湍流抖振、漩渦脫落、流體彈性不穩(wěn)定性和聲振動(dòng)[4]。許多國內(nèi)外學(xué)者[5-9]對(duì)此進(jìn)行了大量數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，認(rèn)為在橫流速度較低時(shí)，容易產(chǎn)生周期性的漩渦脫落而產(chǎn)生振動(dòng)；當(dāng)橫流速度較高時(shí)，一般是由流體彈性不穩(wěn)定性激發(fā)換熱管的振動(dòng)。流體彈性不穩(wěn)定性是最常見且最具破壞性的流致振動(dòng)機(jī)理，在工程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

同心圓排布管束主要應(yīng)用于核工業(yè)中，但針對(duì)該類型換熱器的流體誘導(dǎo)振動(dòng)研究較少，也沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)設(shè)計(jì)。本文通過建立同心圓排布管束不同位置處的局部模型，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和流固耦合(FSI)的方法，研究同心圓排布管束的流體彈性不穩(wěn)定性；根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分析不同位置處振動(dòng)幅度、臨界流速和主振方向等特征，以期為同心圓排布管束的換熱器設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)提供參考。

1 數(shù)值模擬計(jì)算模型

1.1 物理模型

在本文研究的同心圓排布中，60°為最小重復(fù)單元，且在0°～60°排布形式關(guān)于30°線對(duì)稱分布，如圖1所示，故只需研究0°～30°不同位置處管束振動(dòng)，便可得到同心圓排布換熱器管束整體振動(dòng)狀態(tài)。……