换热器内弹性管束固有阵型对换热性能的影响

蔡莉莉，葛培琪,2

(1．山东大学 机械工程学院，山东　济南　250061;

2.山东大学 高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东　济南　250061)



换热器内弹性管束固有阵型对换热性能的影响

蔡莉莉1，葛培琪1,2

(1．山东大学 机械工程学院，山东济南250061;

2.山东大学 高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东济南250061)

摘要：弹性管束换热器管束的振动可实现强化换热，为了使弹性管束换热器更好的强化换热，本文研究了弹性管束的固有阵型对管束换热特性的影响。采用work bench数值分析方法对弹性管束进行模态分析，得到管束的前十阶固有频率及阵型。采用脉动流激励弹性管束振动，得到弹性管束的类似固有振型，分析管束固有振型变化对弹性管束换热特性的影响。结果表明，对于管束的面外振型，管束固有振型的振幅出现的位置不同，对管束的换热系数影响很大；对于管束的面内振型，随着管束面内振型阶数增大，弹性管束的换热系数增大。

关键词：弹性管束；换热器；固有阵型；流体诱导振动；强化换热

0引言

弹性管束是一种新型换热元件，弹性管束换热器可以充分利用流体诱导管束振动实现强化换热。流体诱导弹性管束振动可以提高对流换热系数，同时降低污垢热阻，可以实现管束的复合强化换热[1-2]。弹性管束换热器流体诱导管束振动与强化传热实验研究表明，弹性管束换热器的换热效果随振动频率和振幅的增加而显著增大[3-6]。对比振动与静止的管外换热系数发现，在相同振动雷诺数下，频率对换热系数增大的贡献大于振幅[7]。弹性管束布置方式对管束传热特性也有很大影响，对大多数工况，两侧分布(错排)>单侧分布(错排)>单侧分布(顺排)[8]。研究表明，管型、振动频率、振幅是影响管束换热系数的主要因素[8]。换热器内锥螺旋弹性管束振动与传热特性研究[9]表明，不同形状椭圆截面、锥螺旋管束的锥度对管束传热性能影响很大。圆柱管排流体诱导振动及换热特性数值分析[10]为弹性管束的结构设计、流体诱导振动控制等提供一定的参考。

弹性管束是连续弹性体，具有无限多自由度和固有振型。本文针对弹性管束换热器，建立了单一弹性管束换热器模型，通过workbench模拟仿真分析，得到了管束固有振型对管束换热的影响规律。

1弹性管束固有振动特性分析

1.1　管束模型及参数

弹性管束二维模型如图1，弹性管束由四根紫铜弯管1,2,3,4及两个自由块5,6组成。弯管材料为Cu，两个自由块材料是Q235。弹性管束的几何尺寸及材料属性如表1所示。

表1平面弹性管束的几何尺寸及材料属性

尺寸名称数值材料属性数值铜管截面外径/mm10紫铜弹性模量/GPa129铜管截面内径/mm7紫铜泊松比0.33R1/mm70紫铜密度/kg·m-38900R2/mm90Q235弹性模量/GPa210R3/mm110Q235泊松比0.3R4/mm130Q235密度/kg·m-37800连接体5各边长/mm40×20×20连接体6各边长/mm80×20×20

图1　弹性管束结构图

图2　弹性管束网格划分图

建立弹性管束三维模型，对弹性管束进行设置，弹性管束A,B端设为全约束条件(fixed supports)，弹性管束的弯管及自由块之间设为刚性连接。对弹性管束划分网格如图2所示，节点数(Nodes)是199638，单元数(elements)是69510。

1.2　计算结果分析

利用workbench对弹性管束进行模态分析，得到平面弹性管束的前十阶固有频率及固有振型。由模态分析结果，管束前十阶固有振型既有面内振动又有面外振动，其中1、4、6、8、10阶振型是面内振动，2、3、5、7、9阶振型是面外振动，如表2所示。

表2管束的前十阶频率及振型

阶次频率f/Hz振型121.122面内振型221.226面外振型325.992面外振型432.916面内振型537.604面外振型654.052面内振型764.398面外振型875.73面内振型9107.74面外振型10111.18面内振型

2换热器计算模型及边界条件

2.1　单一弹性管束换热器模型

单一弹性管束换热器三维模型如图3，并利用workbench建立换热器内壳程流场如图4。

图3 换热器三维模型图4 换热器内流体网格

2.2　网格划分及边界条件

弹性管束换热器内流体网格划分采用自动网格划分的方法，网格数(elements)为2057970，节点数(nodes)为 392484。通过改变网格尺寸验证了网格独立性，综合考虑计算精度和计算效率，选定网格尺寸。网格再加密，计算结果偏差<3%。

流体边界条件：脉动流激励弹性管束振动时，脉动流来流入口设置为inlet，来流为恒定温度293 K；流体出口为压力出口，p=0；管束外壁面设置为流固耦合壁面，温度为323 K。固定壁面的流动边界条件为无滑移速度边界条件，温度为323 K，热量传输设定为Thermal Energy。

3弹性管束固有振型对换热性能的影响

在workbench中模拟脉动流激励单一弹性管束振动，观察弹性管束的振动响应特性及换热特性变化，得到弹性管束的固有振型变化对管束换热性能的影响规律。

对脉动流采用相同的脉动流幅值，使脉动流频率与弹性管束的各阶固有频率相同，激励弹性管束振动，得到弹性管束的管外平均换热系数。脉动流速度表达式为

(取f=21.122Hz,21.226Hz,25.992Hz, 32.916Hz,37.604Hz, 54.052Hz,64.398Hz,75.73Hz,107.74Hz,111.18Hz)。

不同管束振型下，弹性管束管外平均换热系数如表3所示。

表3不同固有振型下管束的平均换热系数

振型阶数管外表面换热系数/W·m-2·K-1)一阶(面内)1340二阶(面外)2060三阶(面外)2840四阶(面内)2280五阶(面外)1906六阶(面内)2520七阶(面外)1800八阶(面内)2940九阶(面外)2953十阶(面内)3126

4计算结果分析

弹性管束的管外平均换热系数变化曲线如图5，图6所示。

图5　面外振型对管外平均换热系数影响规律

图6　面内振型对管外平均换热系数影响规律

在研究范围内，由模态分析得知，管束面外振型的振幅出现的位置不同。由换热特性分析，在不同面外振型下，管束振幅位置不同，管束的管外平均换热系数有很大差别。

从模拟结果分析，弹性管束的大小自由端优于弹性管束的弯管。如果管束面外振型振幅出现的位置相同，则随着振型阶数的增大，弹性管束的管外平均换热系数增大。

对于管束的面内振型，即在弹性管束平面内的振动，是弹性管束的面内伸缩运动。随着管束固有振型阶数的增大，弹性管束振动的频率、振幅都相应增大，弹性管束的管外平均换热系数增大。

5结论

本研究通过建立单一弹性管束换热器模型，通过workbench分析不同弹性管束固有振型下管束的管外平均换热系数，得到如下结论：

(1)对于管束的面外振型，管束固有振型的振幅出现的位置不同，对管束的换热系数影响很大。

(2)对于管束面内振型，随着管束振型阶数增大，弹性管束的换热系数增大。

参考文献

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[2]程林,田茂诚,张冠敏,等.流体诱导振动复合强化传热的实验研究[J].工程热物理学报,2002,23(4):485-487.

[3]田茂诚,林颐清,程林.汽-水换热器内流体诱导振动强化传热试验[J].化工学报,2001,52(3) :257-261.

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[5]王学华，熊兴才，薛海青.核电厂辅助冷却水系统水锤计算与防护[J].电网与清洁能源，2014，30(9)：102-105.

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[7]Lemlich R,Rao M A.The effect of transverse vibration on free convection from a horizontal cylinder[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,1965(8):27-33.

[8]姜波.振动强化换热机理分析及新型振动传热元件实验研究[D].济南.山东大学,2010.

[9]闫柯.换热器内锥螺旋弹性管束振动与传热特性研究[D].济南.山东大学,2012.

[10]宿艳彩,葛培琪,闫柯.圆柱管排流体诱导振动及换热特性数值分析[J].热能动力工程,2012,27(5):554-559.

Heat Transfer Characteristics of Elastic Tube Bundle under DifferentInherent Vibration ModesCAI Li-li1，GE Pei-qi1,2

(1．School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061,China;

2．Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture，Ministry of Education，

Shandong University，Jinan 250061，China)

Abstract：The vibration of tube bundle can strengthen heat transfer in elastic tube bundle heat exchanger, in order to make the elastic tube bundle heat exchanger strengthening heat transfer better, this paper studies heat transfer characteristics of elastic tube bundle under different inherent vibration modes. The natural mode of elastic tube bundle was analyzed based on the work bench numerical simulation. The modes of vibration, natural frequency of the tube bundle were obtained. Get the similar inherent vibration mode of the elastic tube bundle by using the pulsating flow excitation bundle vibration. Analyzed the discipline of heat transfer characteristics of elastic tube bundle under different inherent vibration modes. The results show that, for the out-of-plane vibration, with the location of the maximum displacement on tube bundle’s modes of vibration is different, the heat transfer coefficient of tube bundle has a great difference. For the in-plane vibration, as the mode order of tube bundle in-plane vibration increases, the heat transfer coefficient of elastic tube bundle increases.

Key words：elastic tube bundle; heat exchanger; The inherent vibration mode; flow induced vibration; heat transfer enhancement

作者简介：蔡莉莉(1990~)，女，硕士研究生，研究方向为脉动流诱导振动分析。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475268)

收稿日期2015-01-30修订稿日期2015-03-12

中图分类号：TK124

文献标识码：A

文章编号：1002-6339 (2015) 06-0509-03