吴一红[1]1991年在《管阵流体弹性不稳定性研究及流体诱发振动数值模拟》文中研究说明论文对管阵流体弹性不稳定性及流体诱发振动数值模拟问题进行了系统、详细的研究。所做的工作主要有: (1)建立了一种新的流体弹性不稳定性分析的数学模型。这种模型能反映两种流体弹性不稳定性机理,需要的实验数据易于得到,因而优于现行的几种数学模型。 (2)利用本文模型,给出了直管管阵临界流速的计算方法,详细地讨论了矩形管阵和三角形管的临界流速。分析结果表明,本文结果与实验结果和非定常流模型计算结果很接近。 (3)本文首次分析了U型管阵的临界流速,给出了计算公式和计算方法。 (4)详细地分析了管阵非有效支承对临界流速的影响,提出了一种较为实用的非有效支承流体弹性不稳定性概率分析方法。 (5)对湍流、流体弹性诱发振动数值模拟和管子的磨损问题进行了初步分析,给出了有限元方程的求解、选代格式。 (6)开发了软件AFITA、SHET,能进行三角形、矩形排列的U型管和直管管阵、均匀流和非均匀流的临界流速分析,单根管自由振动和湍流诱发振动分析。 (7)在总结、分析国内外大量的理论和实验结果的基础上,对我国《钢制管壳式换热器》中的流体弹性不稳定性临界流速的计算提出了一些修正和补充的建议。
陈小阁[2]2017年在《流体诱发管束振动的流体弹性不稳定性研究》文中研究指明换热器的管束振动可引起管子的微量磨损和疲劳,维修和更换换热管耗费高昂。至于管子振动的机理,目前比较一致的观点有四种,即:旋涡脱落、湍流抖振、流体弹性不稳定性以及声共振,其中,流体弹性不稳定性是流体诱发管束振动的最危险的诱发因素,极易引起管子的大幅度振动导致其在支撑处被快速磨损。目前,已经存在许多关于流体弹性不稳定性的实验研究,但由于振动机理的复杂性,相关的设计准则在学术界并未给出统一的结论。因此,有关流体弹性不稳定性的研究还需要进一步的展开,为换热器的设计提供更多的理论依据。本文创新设计了可用于单相流和两相流诱发管束振动的实验测试平台。在实验的过程中,研究了和对比了正方形和正三角形排列、节径比为1.28和1.33的四种管束装置的流体弹性不稳定性,并测试了管束在单相流和两相流中的振动特性。同时,本文还采用计算流体力学(CFD)和流固耦合的方法,使用经实验验证的有限元模型对管束振动的流体弹性不稳定性进行了模拟研究,得到了流场和结构场中的信息,并进行分析,补充了实验研究的内容,对深入理解流体弹性不稳定性的机理提供帮助。结果发现:a)无论在单相流还是两相流中,在相同条件下,正方形排列的管束结构比正三角形排列的管束结构更稳定;b)在含气率低于80%的两相横向流中,对于节径比不小于1.28的正三角形和正方形排列管束,推荐正三角形排列管束的不稳定常数K为3.4,正方形排列管束的不稳定常数K为4.0;c)随着节点流速的增大,管束流体弹性不稳定性的主振方向从曳力方向向升力方向转化;d)管束排列方式中,发生流体弹性不稳定性的难易程度依次为:正方形最难,正三角形次之,转置正方形再次之,转置正三角形最容易;e)发现随着节径比的增大,发生流体弹性不稳定性的临界流速也逐渐增大。
赖永星[3]2006年在《换热器管束动态特性分析及流体诱导振动研究》文中进行了进一步梳理随着工业生产迅速发展和生产规模不断扩大,工业生产中所用的管壳式换热器越来越趋向大型化,管束无支撑跨度增大,刚性变差,为了提高传热效率,流体流速也越来越大,因而换热器流体诱发振动的破坏现象日见增多。据报道,迄今国内外某些工厂的大型换热器因振动而导致破坏的实例屡见不鲜,破坏的严重程度十分惊人。因此,换热器内流体诱导振动的研究已成为当前的重要课题。到目前为止,由于换热器内流体诱导振动的复杂性和计算方法的不成熟性,流体诱导振动机理、换热器管束动态特性和换热器管束发生大幅振动的判别标准等虽经许多科学家大量研究,仍然有很多不清楚和不完善的地方。本文将对换热器管束动态特性、流体诱导振动的激励机理(漩涡脱落、流体弹性激振)、换热器管束振动控制及偏微分方程的数值计算方法进行研究,为保证换热器等化工设备安全运行、节约投资进行有益的探讨。主要工作和创新点如下:1.采用理论分析、数值模拟和实验研究对换热器管束的动态特性进行了较为全面分析,内容包括换热器管束支撑构件的弹性、温度引起的预应力、管束内流体的流速、管束内外流体与换热器管束的耦合作用和换热管与折流板孔之间的间隙对换热器管束动态特性的影响。为准确判断流体诱导振动奠定基础。具体工作如下:根据固定管板式换热器的结构特点,采用有限元法对该结构进行有限元离散,壳体、固定管板、折流板采用空间壳单元模拟、换热管采用空间梁单元模拟,分别建立了精细的有限模型和常规的简化有限元模型,对管束动态特性进行了计算,并对计算结果进行了比较。探讨了弹性支撑和温度预应力对固定管板式换热器管束动态特性的影响,并对常规简化模型计算的准确性进行了研究。利用ANSYS程序的参数化设计语言(APDL),对模型进行智能化网格剖分、材料参数设定、模型几何参数设置,完成了充满液体单管的建模和四种节径比的正方形排列管束的建模,并采用流固耦合法进行了动特性的计算;绘制了管束在水中基阶振型对应的频率和频率带宽随节径比的变化图,得出管束在液体中每阶振型存在一个2n频率带,频率带宽随节径比减小而增大随密度增大而增大,并通过实验进行了验证。通过建立换热管在内流激发下的振动方程,导出了换热管在内部流激发下固有频率的解析表达式。并由此定义了换热管内流离心力对固有频率影响的折减系数。讨论了换热管内流对固有频率的影响,得出了一些有益的结论。
晋文娟[4]2015年在《换热器管束刚度对流体弹性不稳定性影响的研究》文中认为管壳式换热器由于自身的众多优点在化工生产中得到广泛的应用。但随着换热器的大型化,流体诱发振动的问题却愈加突出,引起了国内外研究者的广泛关注。在流体诱发振动的机理中,流体弹性不稳定性是最重要也是破坏性最强的机理,对换热器管束的流体弹性不稳定性开展实验研究,具有很重要的理论意义和工程应用价值。本文首先采用水洞实验方法对节径比均为1.28的的刚性管阵中一根弹性管和全弹性管阵的振动特性进行了研究。实验管阵包括4种排布方式:正三角形排布、转角正方形排布、转角三角形排布和正方形排布。为了验证刚性管阵中一根弹性管的简化方法对节径比为1.28的管阵的适用性,将两类管阵相同位置处的管束的振动响应进行了对比分析。结果表明,同一种排布方式的刚性管阵和全弹性管阵中管束失稳的位置不相同,临界流速也不一致,两类管阵中相同位置处管束的频谱响应,振动轨迹及主振方向都存在不同程度的差异。因此可以得出结论:对于流体介质为水,节径比为1.28的管阵,刚性管阵中一根弹性管的简化方法不适合用来代替全弹性管阵研究管束的流体弹性不稳定性。其次,本文对管束刚度对正方形排布的全弹性管阵的流体弹性不稳定性的影响进行了实验研究,旨在为工程实践应用提供相关依据和参考。通过将改变部分管束刚度后的测定管的振动特性与改变前的进行对比,研究了变刚度管束位置、数量及刚度变化对测定管振幅和临界流速的影响。结果表明,关于振幅,与改变前相比,上游管束刚度的改变会对测定管横流方向的振幅起到一定程度的削弱作用,下游管束刚度的改变没有上游的效果明显;随着上游变刚度管束数量的增加,测定管横流方向的振幅被削弱程度有所加强;上游管束刚度减小时对测定管振幅的削弱作用要强于上游管束刚度增大。测定管的临界流速与变刚度管束位置、数量及刚度变化没有明显的规律。
吴皓[5]2013年在《方形排布管束流体弹性不稳定性研究》文中认为管壳式换热器内的管束时刻承受横向流的冲刷，极易由于流体诱发振动而发生破坏。其中流体弹性不稳定性是换热器管束振动中最重要的激振机理，对这一机理的研究对换热器的合理设计与安全运行都有重要的意义。本文通过水洞实验，对节径比S/d=1.28的正方形排布管束，在不同流速下管束的振动响应进行了测定与研究，得到了管束振动随流速变化的规律。采用计算流体力学方法，建立了管束流固耦合模型，研究了湍流模型与轴向尺寸对计算模型的影响，建立了适宜的数值计算模型，并通过实验进行了验证。结果表明，可以采用大涡模型、轴向尺寸为d的计算模型对流体弹性不稳定性进行研究，该模型在管束振幅与频谱响应的一般趋势上能同实验很好地吻合，但是在均方根幅值预测上有较大误差。采用建立的流固耦合模型对管束的流体弹性不稳定性振动特性进行了研究，结合实验结果，分析表明临界流速之后管束的主振方向会随流速发生变化，管束位置对此也有一定影响；相邻管束之间的振动在临界流速之后呈现180°的相位差。对现有的临界流速获取方法进行了探讨，分析表明，采用感官判断的方法可以判断流体弹性不稳定性的发生，但是准确性较低，实际应用中需要较强的工程经验；振幅-流速图方法能很直观的判断管束的临界流速，但存在一定误差，需要预先判断主振方向才能提高预测的效果；频谱数据分析方法对于重相流体下管束的临界流速预估较为准确，但不适用于轻相流体。本文还模拟计算研究了节径比为1.28和1.5的正方形排布和转置正方形排布管束的失稳特性。结果表明，正方形排布管束临界流速较转置正方形排布管束高，因此更不易发生流体弹性不稳定性。正方形排布下，大节径比临界流速相对更高。
王鹏[6]2014年在《管壳式换热器管束流弹失稳分析及防控方法研究》文中认为本文首先从流体力学基本理论出发,分析了流体弹性不稳定性的基本理论,对换热器管束的流弹失稳现象进行了研究。对Yetisir与Weaver提出的“流管模型”进行了分析,在Yetisir与Weaver提出的管束横向流弹失稳的非稳态解析模型以及Li Ming建议的线性衰减函数的基础上,重新推导了一种基于非稳态“流管”模型的显示表达式,并以复数解法进行求解,避免了Y-w模型中的数值积分困难,修正了Li Ming模型中的一些不足之处,得到了换热器管束流弹性失稳的显式解析解,根据此公式可以较方便计算流体的流弹性失稳问题的临界流速,其相关参数所需较少。利用ADINA软件按照一定比列建立了三维换热器管束有限元模型,对于管道的应力应变分析表明：当达到临界流速时管子的应力会增大,而管束的位移会显著增加,基于安全性考虑必须严格控制流体的速度；对不同排列形式的管阵稳定区图分析表明：当对于同一种管束而言,节径比对于其安全性的影响并非最大的影响因素；而当流速及其他情况完全相同时,管束的排列形式对于换热器管阵安全与否有较重要的影响,其他情况相同的条件下,管道的排列形式对稳定区图有较大的影响,且节径比也有一定的影响。通过理论分析及实验结果对防控换热器管束流体弹性失稳提出了一些方法,主要体现为流速的控制及管道材料等方面。
唐艳芳[7]2010年在《某冷凝器管束流体诱发振动的研究》文中研究指明本文根据PTA生产装置中一台大型冷凝器的生产工艺参数和实际尺寸,合理的简化模型,利用计算流体力学软件Fluent对冷凝器不同管层的流速进行分析,并参照GB151-1999管束振动的标准进行流体诱发振动的理论计算,以确定冷凝器管束是否发生流体诱发振动。本课题主要做了以下研究工作：首先,根据冷凝器的工艺条件参数,对可能诱发振动的原因进行了分析,主要有流体弹性不稳定、漩涡脱落、紊流抖振三种诱发机理；第二,根据冷凝器的实际尺寸,在Gambit中合理的简化,建立分析模型,确定边界条件、材料属性和操作条件,确定求解方法,并对所研究的冷凝器管束间的流场进行分析,以找到管层最大速度出现的位置；第三,根据GB151-1999,计算固有频率和临界流速；最后,根据振动判据,计算比较,得出明确的结论。根据以上分析,模型进口流量较小,流速较低,处于单相流作用下,进口冲刷的管束有较为明显的速度波动,并在管间隙中出现最大管层速度,并不会发生管束的流体诱发振动。本文还讨论了根据流量不变原理,4根中19的换热管合并为1根中38换热管的简化措施是否合理,根据相似的理论,得出两种流动情况的规律。本文的研究结果对保证换热器等化工设备安全运行,防止管束发生大幅度振动具有一定的理论价值和实际意义。
杨凡[8]2017年在《基于有限元方法的管道流致振动研究》文中指出管道系统涉及到生产生活的各个领域,其动力学问题可能直接影响整个工程系统的安全性,因此具有重要的研究意义和价值,需要进行深入分析和研究。本文基于ANSYS Workbench与CFX有限元分析软件,利用双向流固耦合方法,分别建立了较大雷诺数环境中横向流作用下的单管和三管有限元分析模型,计算了在不同来流速度下系统的响应,对相应结果进行了分析。首先,基于工程实例,总结了横向流作用下管道系统稳定性的分析方法及失稳机理。介绍了双向流固耦合技术,以及几种常用的湍流模型。以横向流作用下的单管为例,分析了不同湍流模型的适用性和精度,最终确定采用LES大涡模型进行后续计算。其次,讨论了流场区域尺寸的选取、网格的划分方式及计算时间步长的设置。基于前面讨论选取的湍流模型、流场尺寸、网格模型及时间步长等参数,对单管模型进行了数值计算。通过改变来流速度,计算得到了相应的系统响应。分析发现,当来流速度超过临界流速时,管的运动轨迹呈“8”字型振荡,且流场也具有周期性。进一步,对升阻力频谱图分析发现,其主频与结构固有频率接近时,结构响应幅值最大,即所谓的“锁频”现象。最后,计算分析了并列三管的流弹稳定性问题,讨论了管间距及材料特性对失稳后的系统响应的影响。在某些管间距和材料特性情况下,其运动轨迹不会呈“8”字型振荡。
张俊杰, 刘红, 陈佐一[9]2003年在《换热器管束流体激振的研究现状评估及新方法》文中指出换热器管束的流体激振问题是严重影响其运行安全性的一个关键问题。该文对近年来国内外对此问题的研究进行了综述与评估。根据以往在叶轮机械流体激振研究方面开创的理论系统和研究方法,作者提出了通过应用振荡流体力学原理和参数多项式方法去求解流体基本方程,从而确定流体激振力的方法,应用全功能分析方法来准确预估流体弹性振动的稳定性边界,应用振荡压力传播理论来分析包括声共振在内的流体激振现象。这些思想为换热器管束流体激振研究指引了一条新途径。
张琦[10]2014年在《换热器管束流体弹性不稳定性的随机特性研究》文中研究说明管束是各类管壳式换热器中柔性最大的重要元件。管内外的流体流动会导致管束的振动,在流体诱导管束振动的几种机理中,流体弹性不稳定是管外流体流速较大时管子振动最主要的诱因。而且由于换热器工作状态复杂,管束与支撑板之间的支撑是否有效具有很大的随机性,会严重影响管束的振动频率和模态。因此研究非有效支撑管束在横掠流作用下的稳定性问题对提高换热器的可靠性有重要的意义。本文的具体工作如下:一、建立换热管排和管束的流体弹性不稳定受力模型,分别推导壳程流体临界流速系数,求解给定排列方式和节径比的换热管束壳程临界流速并与国家标准进行对比计算,验证该解法的准确性;二、初步讨论了相邻换热管间不同振动模态之间耦合问题,给出基于流体弹性理论推导的有效流速,对给定换热管进行计算解释实验现象,并给出相对安全的实际工作流速;三、建立单管结构的动力学模型,基于解析方法求解换热管的振动特性,利用广义坐标方法通过Matlab编写程序计算换热管中部支撑出现失效情况下的振动特性;利用换热管与支撑挡板设计制造过程中的允许偏差和理论间隙计算管束支撑失效的概率特性;四、将上述分析结合起来计算单管各个支撑状态下换热管流体弹性不稳定的概率特性,对换热器整体给出失稳评价,并提出预防措施。
参考文献：
[1]. 管阵流体弹性不稳定性研究及流体诱发振动数值模拟[D]. 吴一红. 清华大学. 1991
[2]. 流体诱发管束振动的流体弹性不稳定性研究[D]. 陈小阁. 浙江大学. 2017
[3]. 换热器管束动态特性分析及流体诱导振动研究[D]. 赖永星. 南京工业大学. 2006
[4]. 换热器管束刚度对流体弹性不稳定性影响的研究[D]. 晋文娟. 天津大学. 2015
[5]. 方形排布管束流体弹性不稳定性研究[D]. 吴皓. 天津大学. 2013
[6]. 管壳式换热器管束流弹失稳分析及防控方法研究[D]. 王鹏. 西南石油大学. 2014
[7]. 某冷凝器管束流体诱发振动的研究[D]. 唐艳芳. 北京化工大学. 2010
[8]. 基于有限元方法的管道流致振动研究[D]. 杨凡. 西南交通大学. 2017
[9]. 换热器管束流体激振的研究现状评估及新方法[J]. 张俊杰, 刘红, 陈佐一. 清华大学学报(自然科学版). 2003
[10]. 换热器管束流体弹性不稳定性的随机特性研究[D]. 张琦. 哈尔滨工程大学. 2014