不同傾斜角度熱交換器振動(dòng)特性流固耦合模擬及試驗(yàn)研究

馮 俊，董金善，吳倩倩，任子奇，張森源

（南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

在熱交換器運(yùn)行過程中，當(dāng)熱交換器內(nèi)流體誘導(dǎo)頻率接近設(shè)備結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí)，熱交換器將會(huì)發(fā)生共振，產(chǎn)生流致振動(dòng)[1-2]。振動(dòng)會(huì)引發(fā)熱交換器的失效破壞，失效破壞常出現(xiàn)在換熱管上。因此，引發(fā)換熱管振動(dòng)失效的因素成為研究重點(diǎn)。固有頻率是描述管束振動(dòng)特性的主要參數(shù)，現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式表明，影響換熱管固有頻率的因素主要有換熱管直徑、換熱管厚度、材料彈性模量、材料密度及幾何形狀等。但在工程實(shí)際中，約束條件、折流板公差、折流板厚度、高溫蠕變、應(yīng)力硬化、換熱管內(nèi)外流體以及流體含氣率等因素都會(huì)影響換熱管的固有頻率[3-11]。

王健[12]通過分析熱交換器管束約束條件對(duì)換熱管固有頻率的影響，得到通過增加管板厚度可以提高換熱管固有頻率的結(jié)論。劉超鋒等[13]系統(tǒng)分析了帶折流板的熱交換器，找出了影響振動(dòng)的各種因素。呂東祥等[14]通過對(duì)單根換熱管進(jìn)行模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析，討論了換熱管厚度、跨距、外徑和節(jié)徑比對(duì)換熱管固有頻率的影響。譚蔚等[15]通過對(duì)換熱管的數(shù)值模擬，認(rèn)為換熱管支撐失效可能會(huì)降低換熱管固有頻率。蘇文獻(xiàn)等[16]根據(jù)不同換熱管固有頻率的計(jì)算方法，計(jì)算出了換熱管固有頻率理論值，并與有限元方法得到的固有頻率結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出了各計(jì)算方法的區(qū)別。范森等[17]利用有限元分析軟件對(duì)換熱管的振動(dòng)特性進(jìn)行瞬態(tài)分析，同時(shí)分析了軸向力作用下的換熱管固有頻率，得出了換熱管固有頻率隨著軸向拉力的增大而增大、拉應(yīng)力的加強(qiáng)效應(yīng)小于等效壓應(yīng)力的應(yīng)力軟化效應(yīng)、軸向力的作用對(duì)換熱管一階固有頻率的影響最大等結(jié)論。錢頌文等[18]在1987年通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證了Owen提出的有關(guān)方程的正確性，通過風(fēng)機(jī)提供激振力使管束發(fā)生振動(dòng)，用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀和光線示波器收集管束的振動(dòng)響應(yīng)。

文中結(jié)合流固耦合的基本理論，利用Workbench平臺(tái)對(duì)不同傾斜角度熱交換器殼程進(jìn)行流場(chǎng)分析與模態(tài)分析。同時(shí)，在熱交換器振動(dòng)性能測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，研究熱交換器傾斜不同角度時(shí)殼程流體對(duì)換熱管束振動(dòng)特性的影響，將試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證仿真模擬方法的正確性。

1 熱交換器模型參數(shù)

文中研究的熱交換器模型為1臺(tái)試驗(yàn)用固定管板式熱交換器，有7根換熱管，換熱管尺寸均為φ25 mm×2.5 mm，長 1 500 mm，排列角為 60°。筒體尺寸為φ219 mm×4 mm，殼程介質(zhì)為水。熱交換器整體材料為S31603。

在Workbench平臺(tái)中1∶1建模，得到的熱交換器三維模型見圖1。

圖1 試驗(yàn)用固定管板式熱交換器三維模型

熱交換器運(yùn)行時(shí)，殼程流體從右側(cè)下接管口進(jìn)入，從左側(cè)上接管口流出?？紤]不同傾斜角度對(duì)換熱管振動(dòng)的影響時(shí)，將模型傾斜相應(yīng)的角度，保持結(jié)構(gòu)尺寸不變。在Workbench平臺(tái)的前處理軟件中抽取流體域，用Fluent流體分析軟件分析殼程內(nèi)流場(chǎng)，將分析結(jié)果加載到流固耦合面上分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力，得到應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果之后再進(jìn)行模態(tài)分析。

2 水平熱交換器管束振動(dòng)特性模擬

2.1 流場(chǎng)分析

綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模，抽取殼程流體域后，采用四面體劃分網(wǎng)格，劃分后的模型單元數(shù)為 1 573 103、節(jié)點(diǎn)總數(shù)為 297 085（圖2）。將模型導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行設(shè)置。采用RNG κ-ε湍流模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，考慮重力場(chǎng)。殼程流體為水，水密度998 kg/m3、運(yùn)動(dòng)黏度0.001 003 Pa/s。殼程入口設(shè)置為速度入口，流速為1.5 m/s。殼程出口設(shè)置為自由出口，殘差精度控制在10-4，迭代次數(shù)為5 000步。

圖2 熱交換器流體域網(wǎng)格劃分

經(jīng)過流場(chǎng)計(jì)算，得到了熱交換器殼程流體的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)。熱交換器殼程流體對(duì)稱面、進(jìn)口截面及出口截面的壓力和速度分布云圖見圖3～圖5。

圖3 水平熱交換器殼程流體對(duì)稱面壓力和速度分布云圖

圖4 水平熱交換器殼程流體進(jìn)口截面壓力和速度分布云圖

圖5 水平熱交換器殼程流體出口截面壓力和速度分布云圖

從圖3～圖5可以看出，殼程流體進(jìn)口處壓力較大，出口處壓力較小，內(nèi)部流體壓力梯度變化較小。殼程流體進(jìn)、出口流速較大，內(nèi)部流體流速較小且流動(dòng)狀態(tài)較穩(wěn)定。進(jìn)口處流體沖擊換熱管時(shí)因流動(dòng)方向的改變引起速度變化，出口處壓力形成小范圍負(fù)壓區(qū)域。

按 GB/T 151—2014《熱交換器》[19]計(jì)算得到的熱交換器卡門旋渦最大橫流速度理論數(shù)值為1.95 m/s，而進(jìn)口處橫流速度模擬值為2.213 m/s，模擬值大于理論計(jì)算值。

2.2 模態(tài)分析

將流場(chǎng)分析結(jié)果導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)中，設(shè)置相關(guān)材料參數(shù)，抑制流體域，將換熱管兩端簡(jiǎn)化為固定約束，通過流固耦合面分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力，得到換熱管束等效應(yīng)力分布云圖，見圖6。從圖6可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在中間換熱管流體進(jìn)口處，數(shù)值為0.121 99 MPa，各換熱管中間段等效應(yīng)力較小，出口處應(yīng)力較大。

圖6 水平熱交換器換熱管束等效應(yīng)力分布云圖

將等效應(yīng)力作為預(yù)應(yīng)力加載到換熱管結(jié)構(gòu)上，使用分塊蘭索斯法進(jìn)行模態(tài)分析。提取最大應(yīng)力中間換熱管的前六階模態(tài)振型，結(jié)果見圖7。從圖7可以看出，中間換熱管的一階模態(tài)變形量為35.262 mm，變形量最大，其他各階模態(tài)變形量基本相同。

圖7 水平熱交換器中間換熱管前六階模態(tài)振型

3 傾斜熱交換器管束振動(dòng)特性模擬

3.1 流場(chǎng)分析

將熱交換器結(jié)構(gòu)整體水平傾斜 3°、7°、11°，得到的傾斜熱交換器模型三維主視圖見圖8。

圖8 傾斜熱交換器模型三維主視圖

傾斜熱交換器的抽取流體域、網(wǎng)格劃分和流場(chǎng)設(shè)置與水平熱交換器的一致。

經(jīng)過流場(chǎng)計(jì)算，得到了傾斜熱交換器殼程流體速度場(chǎng)。傾斜熱交換器殼程流體對(duì)稱面、進(jìn)口截面以及出口截面的速度分布云圖分別見圖9～圖11。

圖9 傾斜熱交換器殼程流體對(duì)稱面速度分布云圖

圖10 傾斜熱交換器殼程流體進(jìn)口截面速度分布云圖

圖11 傾斜熱交換器殼程流體出口截面速度分布云圖

對(duì)比圖9～圖11看出，傾斜熱交換器殼程流體流動(dòng)狀態(tài)與水平熱交換器的相似，但流動(dòng)程度稍劇烈些，尤其在流體進(jìn)口截面（圖10），流速大的區(qū)域隨傾角增大逐漸變大。

3.2 模態(tài)分析

將流場(chǎng)分析結(jié)果導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)，通過流固耦合面計(jì)算等效應(yīng)力，將等效應(yīng)力加載到結(jié)構(gòu)上進(jìn)行模態(tài)分析。提取中間換熱管的前六階模態(tài)振型，發(fā)現(xiàn)其與水平熱交換器換熱管的振型圖相似，換熱管的一階模態(tài)變形量最大。水平與傾斜熱交換器中間換熱管前六階固有頻率仿真模擬結(jié)果見表1。

表1 水平與傾斜熱交換器中間換熱管前六階固有頻率仿真模擬結(jié)果

從表1看出，換熱管固有頻率隨著振動(dòng)階數(shù)的增高而遞增，傾角越大，換熱管固有頻率越小，換熱管越易發(fā)生振動(dòng)。

4 熱交換器管束振動(dòng)特性試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)裝置及方案

4.1.1 試驗(yàn)裝置

熱交換器振動(dòng)性能測(cè)試平臺(tái)見圖12。通過改變水泵配套電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變流體流速，在接管接口處安裝流量計(jì)即可更精確地控制進(jìn)、出口流體流速。平臺(tái)下方水箱盛放試驗(yàn)流體常溫水。

圖12 熱交換器振動(dòng)性能測(cè)試平臺(tái)

在換熱管不同位置粘貼電阻應(yīng)變片，通過應(yīng)變片將信號(hào)傳輸?shù)絼?dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，在每根換熱管的進(jìn)口、出口及中心位置分別貼3個(gè)電阻應(yīng)變片。

4.1.2 試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)平臺(tái)下方的水箱中注滿常溫水，保持殼程進(jìn)口介質(zhì)流速不變，通過改變熱交換器的整體傾角，測(cè)得不同傾角下的動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行分析。用水平測(cè)量?jī)x確定傾角。

試驗(yàn)時(shí)將信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)調(diào)零，開啟水泵，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，觀察流量計(jì)直至達(dá)到需要的流速。在熱交換器水平及傾斜3°、7°、11°下分別進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)時(shí)間5～6 min。一組試驗(yàn)完畢先關(guān)閉水泵，待信號(hào)穩(wěn)定后存儲(chǔ)數(shù)據(jù)再進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

分別測(cè)得熱交換器水平及傾斜 3°、7°、11°時(shí)的管束振動(dòng)數(shù)據(jù)，提取振動(dòng)穩(wěn)定階段的管束波形查看頻率譜，得到的中間換熱管前三階固有頻率見表2。

表2 水平與傾斜熱交換器中間換熱管前三階固有頻率試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比表2與表1中數(shù)據(jù)看出，仿真模擬結(jié)果前三階固有頻率值與試驗(yàn)得到的固有頻率值基本一致，說明仿真模擬結(jié)果可靠，采用的仿真模擬方法正確可行。

5 結(jié)語

結(jié)合流固耦合基本理論，在Workbench平臺(tái)用仿真模擬的方法分析了不同傾角熱交換器殼程流場(chǎng)，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)中進(jìn)行了模態(tài)分析。通過在熱交換器振動(dòng)性能測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，得到了不同傾斜角度對(duì)熱交換器管束振動(dòng)特性的影響，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與仿真模擬結(jié)果得出以下結(jié)論，①水平熱交換器卡門旋渦最大橫流速度模擬值大于GB/T 151—2014的理論計(jì)算值。②換熱管束振動(dòng)階數(shù)越高，固有頻率越大，固有頻率隨著振動(dòng)階數(shù)的增高而遞增。③熱交換器傾斜時(shí)換熱管固有頻率會(huì)減小，傾斜安裝對(duì)管束振動(dòng)影響較大。試驗(yàn)得到的換熱管固有頻率結(jié)果與仿真模擬結(jié)果基本一致，在試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)安裝使用的誤差范圍內(nèi)，驗(yàn)證了仿真模擬方法的正確性，為后續(xù)研究提供了借鑒。