二維串列雙圓柱誘導(dǎo)振動及傳熱特性研究.pdf

1、早在20世紀(jì)70年代，振動強化換熱就已引起人們的關(guān)注，但由于受到技術(shù)的限制，換熱器管束的有效振動的實現(xiàn)存在一定的難度，因此學(xué)術(shù)界沒有對此展開過多的研究。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，振動的實現(xiàn)方法也得到發(fā)展，振動強化換熱這一課題也在逐漸興起，而如果管束的振動需要外來能量提供激勵，換熱器在提高換熱的同時，也需要消耗外來的能量，因此，從節(jié)能的角度來講，這種靠外部激勵的方式來達到振動并不是最有效的；彈性管束結(jié)構(gòu)的提出很好的解決了這一問題，彈性管

2、束即是在流體誘導(dǎo)下管束產(chǎn)生振動，這種振動既不會對管束產(chǎn)生破壞，又可以提高管束的換熱系數(shù)，且不需要消耗外來的能量，從而達到節(jié)能降耗的目的?；谶@一背景，本文對雙圓柱的振動強化換熱及流體誘導(dǎo)振動響應(yīng)進行了研究，所得到的結(jié)論可以為彈性管束換熱器的設(shè)計提供一定的依據(jù)，主要研究內(nèi)容分如下：
　　 首先針對串列雙圓柱的不同排列方式對對流換熱效果的影響進行了數(shù)值模擬，計算了不同間距比下雙圓柱的面均Nu數(shù)，并分析了不同間距比L/D(L為雙圓柱的

3、中心距，D為圓柱直徑)下雙圓柱繞流時的速度場和溫度場的協(xié)同情況，得到了靜止和振動條件下的雙圓柱換熱效果及協(xié)同角隨間距比變化的規(guī)律，雙圓柱排列間距不同時，換熱效果不同，當(dāng)間距比L/D＞3.5后，協(xié)同角減小，換熱效果明顯增強且隨后趨于平穩(wěn)，因此，在對換熱管束的排列間距進行設(shè)計時，可以考慮選取L/D＞3.5。
　　 基于間距比與換熱的關(guān)系，建立換熱效果較好的間距比L/D=4.0的二維串列雙圓柱數(shù)值計算模型，對其進行了振動強化換熱分析，

4、分別考慮了振動方向、振動頻率及振幅大小對換熱效果的影響。數(shù)值分析結(jié)果表明，當(dāng)圓柱以不同振動方向振動時，換熱效果相差不大，振動方向?qū)λ俣葓龊蜏囟葓鰠f(xié)同程度影響較??；而雙圓柱振動頻率及振幅大小對換熱效果的影響則很明顯，雙圓柱強化換熱百分比隨振幅和頻率的增大而增大，振幅和頻率的增大也使得場協(xié)同程度得到提高，且在較高頻率時，振幅對圓柱的強化換熱百分比的影響更顯著。
　　 對間距比L/D=4.0的二維串列雙圓柱在不同流速下的誘導(dǎo)振動響應(yīng)進

5、行了分析，得到了雙圓柱橫向振動位移幅值隨流速變化的規(guī)律，在本文計算范圍內(nèi)，雙圓柱的誘導(dǎo)振動位移幅值存在一個最大值，該最大值出現(xiàn)在約化速度5.676左右，當(dāng)入口流速低于此值時，位移幅值隨著流速的增大而增大，而當(dāng)入口流速高于此值后，位移幅值則隨流速的增大而減小。同時，雙圓柱在不同流速下會發(fā)生馳振、拍振及單一渦激振動，隨著流速的增加，雙圓柱完成馳振-拍振-渦激振動的轉(zhuǎn)化。馳振時，雙圓柱振動頻率小于渦脫落頻率；當(dāng)發(fā)生拍振時，振動會存在多個相互競

6、爭的頻率；當(dāng)雙圓柱做單一的渦激振動時，橫向振動頻率和渦脫落頻率相等。
　　 對間距比L/D=4.0的二維串列雙圓柱不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的誘導(dǎo)振動進行了數(shù)值分析，主要考慮了結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量比對流體誘導(dǎo)振動的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著剛度的減小，位移幅值增大，但當(dāng)剛度減小到一定值后，位移幅值基本保持不變，此時雙圓柱的誘導(dǎo)振動出現(xiàn)了“自限定”現(xiàn)象，而當(dāng)剛度增加時，雙圓柱橫向振動頻率隨著剛度的增加而減小，振動規(guī)律也由規(guī)則簡諧曲線轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的振