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弹性管束换热器脉动流发生装置研究

孟海涛  
【摘要】:面对日益严竣的能源问题,节能降耗成为当今社会亟待解决的焦点问题,与此同时,强化传热新技术也得到了更为广泛的关注和研究。流体诱导振动强化传热作为一种新型无源复合强化传热技术,依靠流体绕流弹性管束诱发的管束自激振动提高管束传热效率并抑制污垢积累,从而实现复合强化传热,在实际生产中已得到成功应用。鉴于换热器中传热元件的振动对于其传热系数及使用寿命具有重要的影响作用,本文针对如何合理诱发和有效控制换热器内弹性管束振动这一问题进行了研究,结合数值模拟和实验测试分析了一种带分支脉动流发生装置,为实现传热元件振动有效控制,及改善换热器内各排弹性管束振动及传热性能均匀性提供了一种新方法。本文的主要工作如下: 以平面弹性管束为对象对传热元件的固有振动特性进行了研究,建立了平面弹性管束有限元模型,利用Ansys软件结构动力学分析模块对管束进行模态分析,得到了管束固有频率和相应振型,为后期绕流体尺寸的选择提供了依据;同时通过管束模态实验分析了平面管束固有特性,实验结果与仿真计算结果基本吻合,并结合计算结果分析了平面管束各个结构参数对自身固有特性的影响规律。 针对脉动流发生装置分支部分,建立了安放绕流体直管管束结构二维有限元模型,利用Fluent软件进行仿真计算,比较了不同截面形状绕流体对所产生脉动流脉动参数的影响,结果表明三棱柱绕流体所产生的脉动流强度和稳定性都相对较好,给出了三棱柱绕流体截面尺寸的取值范围;同时分析了管束长度、入口速度等因素对出口处脉动流脉动参数的影响规律,并对不同结构尺寸管束中旋涡的存在形式进行了探讨。 在二维仿真计算基础上,建立了脉动流发生装置分支部分及整体结构的三维有限元模型,利用Fluent软件进行仿真计算,分析了入口速度等因素对所产生脉动流脉动参数的影响,并分析了直管尾端开孔形式的脉动流发生装置结构内部流体状态,结果表明在发生装置各个分支出口处能够获得幅值和频率基本一致的脉动流,且直管尾端中部开孔的结构形式更加有利于各分支处旋涡脱落的产生。 搭建了脉动流诱导弹性管束振动测试实验台,通过改变脉动流发生装置入口流速大小,实验测试了换热器内各排平面管束在不同频率脉动流激励作用下的振动频率,实验结果与仿真计算结果具有较好的一致性。


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