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基于热流固耦合的换热器管束数值模拟分析

王蕊  
【摘要】:管壳式换热器由于其结构坚固、可靠性高以及操作灵活等特点在工业生产过程中广泛应用。换热管是管壳式换热器中最为薄弱的部件,温差引起的热应力以及高速流体引发的换热器管束振动都极易造成换热管的损坏。因此,对实际工作状态下的换热管束进行研究,对提高换热器寿命以及经济效益都具有重大的实际意义。本文以某管壳式空气换热器作为研究对象,采用多物理场耦合的方法,建立该空气换热器的有限元模型并进行热流固耦合分析。通过FLUENT软件对换热器管程、壳程内流场进行数值模拟,将得到的流场数据通过耦合面传递至结构分析中,并作为载荷施加在换热器模型上,对比不同载荷条件下的换热管束的应力分布。结果表明,温差引起的热应力对换热管束的总应力分布影响比较大,而流体压力载荷对换热管束的影响很小。根据换热器流场模拟的结果,计算出换热管所受流体激振力,并作为载荷施加到简化后的换热管有限元模型上,模拟出换热管应力分布及变化。结果表明,旋涡脱落引起的激振力使得壳程入口处的换热管产生了较大的循环应力,容易引发换热管振动,使得换热管束发生疲劳破坏。采用动网格技术和双向流固耦合的方法对V=30m/s时壳程入口处的流体和换热管束进行了分析。结果表明流体以该流速流动时,换热管束应力以及变形都很小,并在很短时间内达到平衡,判断流体弹性不稳定不会引起换热管束的剧烈振动,对换热管束的影响很小。综上所述,该空气换热器管束失效的主要原因是由温差引起的热应力,而壳程流体流动诱导换热管束振动加速了换热管束的失效,其振动机理是旋涡脱落和湍流抖振,流体弹性不稳定不会引起换热管束振动。由于温差引起的热变形使换热管束与隔板接触,并产生了较大的应力集中,当管束振动时管壁与隔板孔之间碰撞接触,产生了较高的应力,使换热管束在隔板部位因磨损失效或者剪切失效,直至管壁开裂。


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