脈動流發生裝置誘導彈性管束振動的實驗研究

季家東，張經緯，高潤淼，劉 萍，劉保銀，陳衛強

(1.安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 礦山智能裝備與技術安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232001)

彈性管束換熱器[1-3]利用彈性傳熱元件替代傳統的剛性元件，通過內部流體引起的管束振動實現強化傳熱[4-6]。然而，在長期的研究和應用中發現，彈性管束換熱器存在內部各排管束振動不均的問題，振動劇烈的管束易發生疲勞破壞，振動微弱的管束換熱效果較差[7-9]。通過改變管束結構或改變其在換熱器內的布置方式，均無法進行有效解決，這是目前一直無法突破的技術瓶頸。因此，設計一種能夠對管束振動進行有效激發和控制的脈動流發生裝置，對于突破管束振動不均的技術瓶頸，乃至進一步實現對換熱器綜合傳熱的有效控制都具有重要的理論和工程意義。

宿艷彩[10]通過搭建振動測試實驗臺對彈性管束的振動特性進行了實驗研究，發現殼程流體對管束振動頻率和強度的影響較大，且在低速誘導工況時管束振動存在諧頻現象。閆柯等[5]設計了一種空間錐螺旋彈性管束換熱器，并搭建振動測試實驗臺測試了多組錐螺旋管束在殼程流體誘導下的振動特性。結果表明，流速對各排錐螺旋管束的振動影響較大，不同流速條件下的錐螺旋管束振動存在明顯的振動不均現象。為了實現對彈性管束振動的有效激發和控制，姜波等[11]設計了一種依靠電機驅動的流體誘導裝置并進行了實驗研究，得到了不同工況下改進型彈性管束的面均傳熱系數，發現低頻脈動時強化傳熱效果較好。但該流體誘導裝置一方面需要消耗額外能量，另一方面不能解決管束的振動不均問題。孟海濤[12]基于流體繞流分析設計了一種立管式脈動流發生裝置，并實驗測試了該裝置在彈性管束換熱器內的實際功效。然而，由于該裝置結構方面的缺陷，不能在各分支口生成頻率和強度均勻一致的脈動流，進而也無法實現對振動的有效激發和控制，不能解決各排管束振動不均的問題。但這種無需消耗外加能量的裝置設計理念值得關注。

脈動流發生裝置的設計應遵循如下原則：其形成的脈動流應具有基本一致的脈動頻率和強度，這樣才能使各排彈性管束均勻振動；其脈動流頻率要誘導彈性管束在脈動頻率下振動，這樣才能實現對彈性管束振動頻率的調節；其脈動流強度要足以誘導各排管束實現振動強化傳熱，并實現對彈性管束振動強度的調節。因此，形成的脈動流應具有均勻、一致、可調、可控的特點。

為此，本文基于立管式脈動流發生裝置的設計理念，提出了一種新型脈動流發生裝置，并規劃了其在彈性管束換熱器內的安裝。通過搭建脈動流誘導彈性管束振動測試實驗臺，測試了換熱器內各排彈性管束在不同工況下的振動響應。

1 實驗裝置

1.1 脈動流發生裝置

圖1所示為一種新型脈動流發生裝置及其在彈性管束換熱器內的安裝，該脈動流發生裝置包括：豎管、橫管和分支管，其中分支管由彎管、導流管和脈動管組成，三棱柱形的擾流體安放在脈動管端部的卡槽上。

1.流體入口；2.脈動管；3.導流管；4.彎管；5.擾流體；6.豎管；7.分支口；8.橫管；9.底口。

脈動流發生裝置一端安裝在換熱器的上封頭，一端懸置于換熱器底部。分支口與彈性管束大連接銅管一一對應。流體流經擾流體后形成具有一定頻率和強度的脈動流，誘導各排彈性管束振動。通過改變分支管或擾流體的形狀/尺寸，可實現對脈動流頻率和強度的調整，進而實現對彈性管束振動的有效激發和控制。

實驗用彈性管束(參見圖4)及換熱器的主要尺寸如表1所示。表1中，l、d，δ指大小連接銅管的長度、外徑和壁厚。脈動流發生裝置的主要尺寸如下：H=60 mm，d1=45 mm，d2=30 mm，d3=15 mm，d4=10 mm，η=60°，底口：20 mm×20 mm。擾流體是截面為等邊三角形的三棱柱，且截面邊長為2 mm。

表1 實驗用彈性管束及換熱器的主要尺寸

1.2 實驗系統

為了研究換熱器內各排彈性管束在脈動流發生裝置作用下的振動特性，搭建振動測試實驗臺如圖2所示，其實驗原理圖如圖3所示。

圖2 振動測試實驗臺

圖3 振動測試實驗原理圖

振動測試實驗臺包括：水循環系統、數據采集分析系統和彈性管束換熱器。水循環系統由水泵、水箱、變頻器和高壓水帶組成。需要說明的是，因殼程流體是造成管束振動的主因[2]，本實驗僅測試殼程流體誘導下的管束振動響應，管程流體對振動的影響不作考慮。數據采集分析系統由傳感器、高精度數據采集儀和計算機組成。其中，水泵采用額定流量為15 m3/h三相充油式潛水泵(型號：QY15-26-2.2C)，傳感器采用基于ICP信號的加速度傳感器(型號：PCB-W352C65/002P20)，高精度數據采集儀型號：INV3018A，數據處理軟件：Coinv-DASP-V10。

加速度傳感器采用502膠水粘貼在彈性管束大小連接銅管的頂部中心位置，如圖4所示。為便于分析，將彈性管束由下至上依次編號為I、II、…、VI，傳感器由下至上依次編號為Ai和Bi(i=1,2,…,6)。

圖4 加速度傳感器在彈性管束上的粘貼位置

為了測試不同流速下彈性管束的振動響應，通過變頻器調節水泵的轉速，進而控制入口水流速度。為了對比分析，實驗進行了兩種補充測試：① 外部干擾振動測試，傳感器安放在換熱器的殼體上，具體安裝位置如圖5所示；② 無脈動流誘導時彈性管束振動響應測試，采用將脈動流發生裝置各分支口封堵的方式實現，傳感器的安放位置如圖4所示。為了降低制造過程引起的管束結構偏差，測試中多次改變彈性管束的安裝位置，對比分析測試數據，剔除不合理數據。

圖5 加速度傳感器在換熱器殼體的安放位置

為了降低水泵工作過程產生的振動對測試信號的影響，采用隔振措施如下：① 水泵與水箱間鋪設厚度為10 mm的硅膠片；② 支架與水箱間隔開一定距離。

2 結果與討論

2.1 換熱器殼體振動測試

為了排除水泵及環境因素引起的干擾振動，在換熱器殼體位置安放兩個傳感器(如圖5所示)，測試了不同入口流速時殼體的振動響應。

圖6、圖7所示為不同入口流速(vinlet=0.1 m/s和0.4 m/s)條件下的加速度頻譜圖。

圖6 換熱器殼體不同位置的加速度頻譜圖(vinlet=0.1 m/s)

圖7 換熱器殼體不同位置的加速度頻譜圖(vinlet=0.4 m/s)

從圖6和圖7可以看到：殼體的振動強度隨入口流速的增加而增加，主要干擾頻率包括：16 Hz、29 Hz和50 Hz。另外，高流速時(vinlet=0.4 m/s)頻率為29 Hz的振動明顯增強，原因為此時電機的激發頻率接近水箱29 Hz的固有頻率，使得水箱振動加劇，進而影響了傳感器收集到的加速度信號。

2.2 無脈動流時彈性管束的振動測試

為了測試脈動流發生裝置的實際功效，將各分支口進行封堵，使流體僅由底口流入換熱器。這樣，誘導彈性管束振動的流體介質僅為殼程流體。

圖8、圖9所示為不同入口流速(vinlet=0.1 m/s和0.4 m/s)條件下第I排彈性管束上傳感器A1、B1的加速度頻譜圖。

圖8 分支口封堵時A1、B1的加速度頻譜圖(vinlet=0.1 m/s)

圖9 分支口封堵時A1、B1的加速度頻譜圖(vinlet=0.4 m/s)

從圖8和圖9可以看到：

(1)去除干擾頻率16 Hz后，傳感器A1測得的主要振動頻率為24 Hz和42 Hz；傳感器B1測得的主要振動頻率為26 Hz和43 Hz。

(2)入口水流速度較高時，傳感器檢測到的振動信號較強，說明管束振動較劇烈，但主要振動頻率的頻率值不發生變化。

(3)不同入口流速條件下，傳感器A1檢測的振動幅值較B1高，說明彈性管束大連接銅管的振動較劇烈，但相對應的頻率值略低。

(4)傳感器A1測得的加速度信號較單一，傳感器B1測得的加速度信號出現多個振動頻率。

殼程流體在換熱器內近似于螺旋向上流動，主流流經彈性管束的大連接銅管，這是引起傳感器A1測得的加速度信號頻率較單一、振幅較大的主因；而影響小連接銅管振動的流體流動特性較復雜、方向不單一，造成傳感器B1測得的加速度信號出現多個頻率，且在流速較低時受干擾信號的影響明顯。

圖10所示為不同入口流速條件下，傳感器Ai測得的不同頻率所對應幅值隨管束編號的變化情況。其中，幅值為多次測試的平均值。

(a)vinlet=0.1 m/s

從圖10可以看到：

(1)隨管束編號的增加，振動頻率略有增加，但增幅較小。

(2)不同管束振動的強度差距較大，如不同流速條件下頻率24 Hz(或25 Hz)所對應幅值的最大相對誤差分別約為65.6%和68.2%，說明換熱器內各排管束存在明顯的振動不均問題。

綜上，僅殼程流體誘導下，彈性管束的振動存在明顯的振動不均問題，這與文獻[2]的研究結果一致。這樣，振動較劇烈的管束換熱效果較好，但易發生疲勞破壞，影響管束的使用壽命；振動較微弱的管束使用壽命較長，但傳熱效果較差。

2.3 有脈動流時彈性管束的振動測試

將脈動流發生裝置各分支口打開，使部分流體從各分支口流入換熱器，部分流體由底口流入換熱器。這樣，誘導彈性管束振動的流體介質包括殼程流體(由底口流入換熱器殼程的流體)和脈動流體(由各分支口流入換熱器殼程的脈動流體)。

圖11、圖12所示為不同入口流速(vinlet=0.1 m/s和0.4 m/s)條件下第I排彈性管束上傳感器A1、B1的加速度頻譜圖。

從圖11和圖12可以看到：

圖11 分支口打開時A1、B1的加速度頻譜圖(vinlet=0.1 m/s)

圖12 分支口打開時A1、B1的加速度頻譜圖(vinlet=0.4 m/s)

(1)在脈動流發生裝置的作用下，彈性管束存在兩個主要振動頻率，其中一個基本不受流速的影響，稱之為定頻率(24 Hz或25 Hz)；另一個隨流速的增加而增加，稱之為動頻率(14 Hz、46 Hz或47 Hz)。

(2)定頻率與有無脈動流發生裝置無關(參見圖8、圖9)，其由殼程流體和管束結構所致；動頻率與脈動流發生裝置各分支脈動流頻率基本一致，其由脈動流誘導所致。

(3)與分支管被封堵時的情況相比，脈動流發生裝置使管束的振動強度明顯增強；且彈性管束大連接銅管的振動較劇烈，這是由于分支口正對大連接銅管所致。

圖13和圖14所示為不同入口流速條件下，傳感器測得的不同頻率所對應幅值隨管束編號的變化情況。其中，幅值為多次測試的平均值。

從圖13和圖14可以看到：

(a)傳感器A1

(a)傳感器A1

(1)與分支管被封堵時的情況相比，兩傳感器測得的加速度幅值和頻率差距變小。例如，vinlet=0.1 m/s時兩加速度幅值的最大誤差分別約為10.7%和12.8%，說明管束振動的均勻性獲得明顯提高。

(2)與分支管被封堵時的情況相比，管束的振動強度也獲得了大幅提高。例如，vinlet=0.1 m/s時管束定頻率的幅值平均增加約2.9倍。這是由分支口流出的脈動流直接沖擊彈性管束大連接銅管所致。

圖15所示為實驗測得的定頻率和動頻率隨入口流速的變化情況。為了便于分析，將分支脈動流的頻率同時列出。

圖15 定頻率和動頻率隨入口流速的變化情況

從圖15可以看出：

(1)定頻率基本不受入口流速的影響，動頻率隨入口流速的增加而增加，且與分支口脈動流頻率的變化趨勢一致。

(2)動頻率略低于脈動流頻率，這是由換熱器內流動的殼程流體所致。

綜上，由于脈動流發生裝置的作用，彈性管束以兩個主要頻率振動，其中定頻率基本不受流速的影響，動頻率隨流速的增加而增加；本文設計的脈動流發生裝置，一方面使彈性管束的振動頻率和強度基本一致，且明顯提高管束的振動強度；另一方面可以通過改變入口流速實現對動頻率及其強度的調整。

3 結 論

基于一種新型脈動流發生裝置，搭建了脈動流誘導彈性管束振動測試實驗臺，測試了換熱器內各排彈性管束在不同工況下的振動響應。主要結論如下：

(1)僅殼程流體誘導下，彈性管束的振動存在明顯的振動不均問題，振動較劇烈的管束換熱效果較好，但易發生疲勞破壞，影響其使用壽命；振動較微弱的管束使用壽命較長，但傳熱效果較差。

(2)在脈動流發生裝置的作用下，彈性管束存在兩個主要振動頻率，其中一個基本不受流速的影響，稱之為定頻率；另一個隨流速的增加而增加，稱之為動頻率。定頻率與有無脈動流發生裝置無關，其由殼程流體和管束結構所致；動頻率與脈動流發生裝置各分支脈動流頻率基本一致，其由脈動流誘導所致。

(3)本文設計的脈動流發生裝置，一方面使彈性管束的振動頻率和強度基本一致，且明顯提高管束的振動強度；另一方面可以通過改變入口流速實現對動頻率及其強度的調整。