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脉动流诱导单排弹性管束振动及换热研究

蔡莉莉  
【摘要】:流体诱导振动作为一种新型强化换热技术,可以实现复合强化换热。弹性管束换热器可以利用流体诱导振动实现强化换热。因为弹性管束是一种复合曲梁结构,与弹簧的振动特性近似,不同流体激励弹性管束时,管束的振动及换热特性差别很大,研究不同流体作用下弹性管束的振动及换热特性可以使管束更好的振动强化换热。本文对不同流体激励单排弹性管束的振动及换热特性进行仿真分析,并对不同流体激励下管束的疲劳强度进行分析,为管束在满足疲劳强度的前提下更好的强化换热提供了一定的理论基础,并为研究多排弹性管束的振动及换热特性提供了方法及基础。本文的主要工作如下:分别以平面弹性管束和锥螺旋管束为研究对象,建立了两种弹性管束有限元模型,利用workbench对弹性管束的固有振动特性进行分析,得到了弹性管束的固有频率及振型,为研究弹性管束固有振型对管束换热特性的影响提供基础。建立了单排弹性管束换热器有限元模型,利用壳程内脉动流激励弹性管束振动,分别得到两种管束固有振型对管束换热的影响规律,并对两种不同结构的弹性管束固有振型对管束换热的影响进行比较,得到了不同结构弹性管束对管束换热的影响规律。针对换热器内壳程流场与脉动流场的耦合作用,建立了弹性管束换热器内耦合流场有限元模型。利用cfx进行仿真计算,比较了不同脉动流幅值,频率及壳程流速对换热器内耦合流速的影响,得到了换热器内不同位置的速度变化情况,为弹性管束的位置分布提供了一定的理论基础。在研究换热器内壳程与脉动流耦合流场的基础上,研究了耦合流场对平面弹性管束的振动及换热特性的影响。并分析比较了壳程流场、脉动流场分别激励平面弹性管束时管束的振动及换热特性。结果表明,耦合流场能更好的激励管束振动实现强化换热。通过改变脉动流参数,得到了不同脉动流频率、振幅激励下管束的振动及换热特性;分析研究了脉动流以不同方向、不同位置激励弹性管束时,弹性管束的振动及换热特性的变化规律,为脉动流参数的选择提供一定的依据。利用workbench对弹性管束的疲劳强度进行了分析,得到了弹性管束产生疲劳破坏时的流体速度,即管束疲劳破坏的临界流场速度,可以作为弹性管束换热器工作参数选择的依据。


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