彈性管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)及換熱特性研究.pdf

1、換熱器作為高能耗行業(yè)一個(gè)熱量交換的單元，是合理利用與節(jié)約能源的關(guān)鍵設(shè)備，研制高效、低阻、性能好的換熱器對于節(jié)約能源，降低單位產(chǎn)值能耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而采用先進(jìn)的強(qiáng)化傳熱技術(shù)無疑是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑。因換熱壁面振動(dòng)具有更好的傳熱效果曾在20世紀(jì)六七十年代引起了廣泛關(guān)注，卻因在換熱器內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)換熱元件振動(dòng)而停止研究。隨著流體誘導(dǎo)彈性換熱元件振動(dòng)來強(qiáng)化傳熱理論的提出，這一課題也在逐漸興起。本文圍繞平面彈性管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)與換熱展開了較

2、為細(xì)致的研究。
　　 圓柱的振動(dòng)會(huì)對圓柱周圍流場產(chǎn)生撓動(dòng)，使得圓柱周圍流場處于湍流狀態(tài)。本文對二維流場中振動(dòng)圓柱面外部湍流狀態(tài)流場的場參數(shù)協(xié)同情況進(jìn)行理論推導(dǎo)，得到了流體繞流振動(dòng)圓柱湍流狀態(tài)下場協(xié)同表達(dá)式。在數(shù)值計(jì)算中，把振動(dòng)圓柱面外部場協(xié)同參數(shù)的取值域界定為略大于溫度邊界層，提出域內(nèi)場參數(shù)離散平均的計(jì)算方法，利用Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)并結(jié)合Udf編程方法進(jìn)行計(jì)算。
　　 采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合Udf編程方法研究了不同穩(wěn)態(tài)流

3、速下二維流場中圓柱面橫向作簡諧振動(dòng)時(shí)的換熱特性，得到了振動(dòng)圓柱面面均換熱系數(shù)隨來流速度的變化曲線。結(jié)果表明，相比于靜止圓柱面，來流速度遠(yuǎn)低于圓柱面最大振動(dòng)速度時(shí)，振動(dòng)圓柱面強(qiáng)化換熱效果明顯;隨著來流速度的增大，振動(dòng)強(qiáng)化換熱效果降低。
　　 采用相同的數(shù)值計(jì)算方法對不同流速下圓柱面沿不同方向做簡諧振動(dòng)時(shí)的換熱特性進(jìn)行了研究，得到圓柱面沿不同方向振動(dòng)時(shí)面均換熱系數(shù)隨流速的變化曲線，并用場協(xié)同理論對其換熱性能進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明，

4、圓柱面的振動(dòng)方向?qū)?qiáng)化換熱的影響不顯著。
　　 將Ansys中固體模塊Workbench與流體模塊CFX相結(jié)合，對不同彈性支撐剛度圓柱的流體誘導(dǎo)振動(dòng)及換熱特性進(jìn)行了數(shù)值研究，得到了不同彈性支撐剛度圓柱分別沿橫向和縱向的振動(dòng)幅值及其頻率隨來流速度變化曲線。結(jié)果表明，在彈性支撐剛度相同的情況下，流體誘導(dǎo)圓柱振動(dòng)產(chǎn)生頻率鎖定所對應(yīng)的來流速度值越大;相等彈性支撐剛度下，流體誘導(dǎo)彈性支撐圓柱橫向振動(dòng)的振幅、頻率要大于縱向振動(dòng)的振幅、頻率;

5、流體誘導(dǎo)彈性支撐圓柱振動(dòng)的最大振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于來流速度時(shí)，圓柱面的換熱效果主要由來流速度決定。
　　 將Ansys中固體模塊Workbench與流體模塊CFX相結(jié)合，對流體誘導(dǎo)不同間距下串聯(lián)彈性支撐圓柱振動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值研究，得到了一定流速下，串聯(lián)彈性支撐圓柱的振動(dòng)位移響應(yīng)時(shí)程曲線和瞬時(shí)流速云圖，并對下游圓柱的振動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，流體誘導(dǎo)串聯(lián)彈性支撐雙圓柱振動(dòng)存在一個(gè)臨界間距值，當(dāng)間距小于此臨界間距值時(shí)，隨著間距的減小，

6、流體誘導(dǎo)下游彈性支撐圓柱振動(dòng)的幅值和頻率減小;當(dāng)間距大于臨界間距值時(shí)，流體誘導(dǎo)下游彈性支撐圓柱的振動(dòng)頻率不再隨著間距的增大而變化。采用相同的數(shù)值計(jì)算方法對同工況下叉排彈性支撐圓柱的振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，計(jì)算結(jié)果與流體誘導(dǎo)串聯(lián)彈性支撐圓柱振動(dòng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)流體誘導(dǎo)串聯(lián)彈性支撐雙圓柱下游圓柱的振幅和頻率大于叉排彈性支撐三圓柱下游圓柱的振幅和頻率。同時(shí)通過計(jì)算得到串聯(lián)和叉排彈性支撐圓柱下游圓柱的面均換熱系數(shù)隨間距的變化曲線。結(jié)果表明，流

7、體誘導(dǎo)串聯(lián)彈性支撐雙圓柱振動(dòng)時(shí)，下游圓柱處于上游圓柱的尾流渦尾部時(shí)，振動(dòng)幅值較小，但面均換熱系數(shù)最大;在一定的間距范圍內(nèi)，流體誘導(dǎo)串聯(lián)彈性支撐雙圓柱下游圓柱的換熱效果優(yōu)于叉排彈性支撐三圓柱下游圓柱的換熱效果。
　　 基于流體誘導(dǎo)不同間距下串聯(lián)和叉排圓柱振動(dòng)及換熱特性的研究結(jié)論，采用相同的數(shù)值計(jì)算方法對流體誘導(dǎo)間距為4.5d的串聯(lián)彈性支撐四圓柱振動(dòng)及換熱特性進(jìn)行了研究，得到了各個(gè)圓柱的振動(dòng)響應(yīng)曲線、頻率值及面均換熱系數(shù)值。結(jié)果表明

8、，流體誘導(dǎo)間距為4.5d的串聯(lián)彈性支撐四圓柱振動(dòng)，各個(gè)圓柱的振動(dòng)頻率相等，但振動(dòng)幅值自上游至下游依次增加，其面均換熱系數(shù)也自上游至下游依次增大。
　　 對兩種不同尺寸的平面彈性管束（小尺寸管束為A管束，大尺寸管束為B管束）的固有特性進(jìn)行了數(shù)值分析，得到了各階固有特性下的振型，平面彈性管束的固有振型分為面外振動(dòng)和面內(nèi)振動(dòng)，并且面內(nèi)和面外振動(dòng)型式交替出現(xiàn)。采用Ansys中固體模塊Workbench和流體模塊CFX對流體誘導(dǎo)單排A管束

9、振動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值分析，得到不同流速下A管束大小自由端各自的振動(dòng)位移響應(yīng)時(shí)程曲線和振動(dòng)頻譜圖。結(jié)果表明，在較低來流速度下就能誘導(dǎo)平面彈性管束沿縱向的振動(dòng)，流速較大時(shí)，水流激起的管束面內(nèi)的振動(dòng)影響管束各個(gè)端點(diǎn)處的振動(dòng)形態(tài)，成為多頻控制的振動(dòng)，在Z軸方向的振動(dòng)尤為顯著。大小兩自由端沿各個(gè)方向的振動(dòng)頻率不同，但都是圍繞1-3階固有頻率來振動(dòng)的。采用相同的數(shù)值計(jì)算方法，對低流速下單排B管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，因B管束尺寸大，剛

10、度小，流體誘導(dǎo)其大小自由端多頻控制的振動(dòng)更加明顯，并且低流速下流體誘導(dǎo)B管束大小自由端沿各方向的振幅均大于A管束的振幅。
　　 對不同流速下A管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)的換熱特性進(jìn)行了分析，分別得到了不同流速下A管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)和靜止時(shí)的面均換熱系數(shù)。結(jié)果表明，在低流速區(qū)，流體誘導(dǎo)A管束振動(dòng)頻率比較高，但是因?yàn)锳管束上各點(diǎn)處的振幅比較小，即A管束相對于流體的振動(dòng)速度比較小，致使A管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)對其強(qiáng)化換熱的影響不顯著，最大為5.7％;隨

11、著流速的增大，壁面振動(dòng)強(qiáng)化換熱效果更不明顯。對低流速下B管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)的換熱特性進(jìn)行了分析，分別得到了不同流速下B管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)和靜止時(shí)的面均換熱系數(shù)。結(jié)果表明，因B管束尺寸較大，剛度小，在較低流速下就能夠誘導(dǎo)B管束較大振幅的振動(dòng)，振動(dòng)頻率在5Hz～8Hz之間，此工況下管束的振動(dòng)對壁面換熱影響較大，與同工況下靜止管束相比，能夠強(qiáng)化換熱11.4％;隨著流速的增大，流體流速對管束換熱性能的影響提高，而管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)對強(qiáng)化換熱性能的影響

12、減弱，導(dǎo)致在流速較大時(shí)流體誘導(dǎo)B管束振動(dòng)強(qiáng)化換熱效果降低。
　　 在流體誘導(dǎo)彈性元件振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對低速流下流體誘導(dǎo)單排平面彈性元件的振動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分別得到了不同流速下單排平面彈性管束大小自由端的振動(dòng)頻率，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好。
　　 對間距為4.5d順排排列方式的三排B管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值分析，得到了各排自由端小端處振動(dòng)位移時(shí)程曲線和振動(dòng)頻譜圖。結(jié)果表明，在較低流速下，流體能夠誘導(dǎo)三排平面彈性管