不同倾斜角度热交换器振动特性流固耦合模拟及试验研究

冯 俊，董金善，吴倩倩，任子奇，张森源

（南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 211816）

在热交换器运行过程中，当热交换器内流体诱导频率接近设备结构的固有频率时，热交换器将会发生共振，产生流致振动[1-2]。振动会引发热交换器的失效破坏，失效破坏常出现在换热管上。因此，引发换热管振动失效的因素成为研究重点。固有频率是描述管束振动特性的主要参数，现有经验公式表明，影响换热管固有频率的因素主要有换热管直径、换热管厚度、材料弹性模量、材料密度及几何形状等。但在工程实际中，约束条件、折流板公差、折流板厚度、高温蠕变、应力硬化、换热管内外流体以及流体含气率等因素都会影响换热管的固有频率[3-11]。

王健[12]通过分析热交换器管束约束条件对换热管固有频率的影响，得到通过增加管板厚度可以提高换热管固有频率的结论。刘超锋等[13]系统分析了带折流板的热交换器，找出了影响振动的各种因素。吕东祥等[14]通过对单根换热管进行模态分析与谐响应分析，讨论了换热管厚度、跨距、外径和节径比对换热管固有频率的影响。谭蔚等[15]通过对换热管的数值模拟，认为换热管支撑失效可能会降低换热管固有频率。苏文献等[16]根据不同换热管固有频率的计算方法，计算出了换热管固有频率理论值，并与有限元方法得到的固有频率结果进行对比，得出了各计算方法的区别。范森等[17]利用有限元分析软件对换热管的振动特性进行瞬态分析，同时分析了轴向力作用下的换热管固有频率，得出了换热管固有频率随着轴向拉力的增大而增大、拉应力的加强效应小于等效压应力的应力软化效应、轴向力的作用对换热管一阶固有频率的影响最大等结论。钱颂文等[18]在1987年通过大量试验验证了Owen提出的有关方程的正确性，通过风机提供激振力使管束发生振动，用动态电阻应变仪和光线示波器收集管束的振动响应。

文中结合流固耦合的基本理论，利用Workbench平台对不同倾斜角度热交换器壳程进行流场分析与模态分析。同时，在热交换器振动性能测试平台上进行试验，研究热交换器倾斜不同角度时壳程流体对换热管束振动特性的影响，将试验结果与模拟结果进行对比分析，以验证仿真模拟方法的正确性。

1 热交换器模型参数

文中研究的热交换器模型为1台试验用固定管板式热交换器，有7根换热管，换热管尺寸均为φ25 mm×2.5 mm，长 1 500 mm，排列角为 60°。筒体尺寸为φ219 mm×4 mm，壳程介质为水。热交换器整体材料为S31603。

在Workbench平台中1∶1建模，得到的热交换器三维模型见图1。

图1 试验用固定管板式热交换器三维模型

热交换器运行时，壳程流体从右侧下接管口进入，从左侧上接管口流出。考虑不同倾斜角度对换热管振动的影响时，将模型倾斜相应的角度，保持结构尺寸不变。在Workbench平台的前处理软件中抽取流体域，用Fluent流体分析软件分析壳程内流场，将分析结果加载到流固耦合面上分析结构应力，得到应力场分析结果之后再进行模态分析。

2 水平热交换器管束振动特性模拟

2.1 流场分析

综合考虑计算精度和计算规模，抽取壳程流体域后，采用四面体划分网格，划分后的模型单元数为 1 573 103、节点总数为 297 085（图2）。将模型导入Fluent软件中进行设置。采用RNG κ-ε湍流模型进行稳态分析，考虑重力场。壳程流体为水，水密度998 kg/m3、运动黏度0.001 003 Pa/s。壳程入口设置为速度入口，流速为1.5 m/s。壳程出口设置为自由出口，残差精度控制在10-4，迭代次数为5 000步。

图2 热交换器流体域网格划分

经过流场计算，得到了热交换器壳程流体的压力场和速度场。热交换器壳程流体对称面、进口截面及出口截面的压力和速度分布云图见图3～图5。

图3 水平热交换器壳程流体对称面压力和速度分布云图

图4 水平热交换器壳程流体进口截面压力和速度分布云图

图5 水平热交换器壳程流体出口截面压力和速度分布云图

从图3～图5可以看出，壳程流体进口处压力较大，出口处压力较小，内部流体压力梯度变化较小。壳程流体进、出口流速较大，内部流体流速较小且流动状态较稳定。进口处流体冲击换热管时因流动方向的改变引起速度变化，出口处压力形成小范围负压区域。

按 GB/T 151—2014《热交换器》[19]计算得到的热交换器卡门旋涡最大横流速度理论数值为1.95 m/s，而进口处横流速度模拟值为2.213 m/s，模拟值大于理论计算值。

2.2 模态分析

将流场分析结果导入到结构静力场中，设置相关材料参数，抑制流体域，将换热管两端简化为固定约束，通过流固耦合面分析结构应力，得到换热管束等效应力分布云图，见图6。从图6可以看出，最大应力出现在中间换热管流体进口处，数值为0.121 99 MPa，各换热管中间段等效应力较小，出口处应力较大。

图6 水平热交换器换热管束等效应力分布云图

将等效应力作为预应力加载到换热管结构上，使用分块兰索斯法进行模态分析。提取最大应力中间换热管的前六阶模态振型，结果见图7。从图7可以看出，中间换热管的一阶模态变形量为35.262 mm，变形量最大，其他各阶模态变形量基本相同。

图7 水平热交换器中间换热管前六阶模态振型

3 倾斜热交换器管束振动特性模拟

3.1 流场分析

将热交换器结构整体水平倾斜 3°、7°、11°，得到的倾斜热交换器模型三维主视图见图8。

图8 倾斜热交换器模型三维主视图

倾斜热交换器的抽取流体域、网格划分和流场设置与水平热交换器的一致。

经过流场计算，得到了倾斜热交换器壳程流体速度场。倾斜热交换器壳程流体对称面、进口截面以及出口截面的速度分布云图分别见图9～图11。

图9 倾斜热交换器壳程流体对称面速度分布云图

图10 倾斜热交换器壳程流体进口截面速度分布云图

图11 倾斜热交换器壳程流体出口截面速度分布云图

对比图9～图11看出，倾斜热交换器壳程流体流动状态与水平热交换器的相似，但流动程度稍剧烈些，尤其在流体进口截面（图10），流速大的区域随倾角增大逐渐变大。

3.2 模态分析

将流场分析结果导入到结构静力场，通过流固耦合面计算等效应力，将等效应力加载到结构上进行模态分析。提取中间换热管的前六阶模态振型，发现其与水平热交换器换热管的振型图相似，换热管的一阶模态变形量最大。水平与倾斜热交换器中间换热管前六阶固有频率仿真模拟结果见表1。

表1 水平与倾斜热交换器中间换热管前六阶固有频率仿真模拟结果

从表1看出，换热管固有频率随着振动阶数的增高而递增，倾角越大，换热管固有频率越小，换热管越易发生振动。

4 热交换器管束振动特性试验研究

4.1 试验装置及方案

4.1.1 试验装置

热交换器振动性能测试平台见图12。通过改变水泵配套电机的转速来改变流体流速，在接管接口处安装流量计即可更精确地控制进、出口流体流速。平台下方水箱盛放试验流体常温水。

图12 热交换器振动性能测试平台

在换热管不同位置粘贴电阻应变片，通过应变片将信号传输到动态信号测试系统，在每根换热管的进口、出口及中心位置分别贴3个电阻应变片。

4.1.2 试验方案

在试验平台下方的水箱中注满常温水，保持壳程进口介质流速不变，通过改变热交换器的整体倾角，测得不同倾角下的动态信号数据，将数据导入数据处理软件中进行分析。用水平测量仪确定倾角。

试验时将信号测试系统调零，开启水泵，调节水泵转速，观察流量计直至达到需要的流速。在热交换器水平及倾斜3°、7°、11°下分别进行试验，每组试验时间5～6 min。一组试验完毕先关闭水泵，待信号稳定后存储数据再进行下一组试验。

4.2 试验结果分析

分别测得热交换器水平及倾斜 3°、7°、11°时的管束振动数据，提取振动稳定阶段的管束波形查看频率谱，得到的中间换热管前三阶固有频率见表2。

表2 水平与倾斜热交换器中间换热管前三阶固有频率试验结果

对比表2与表1中数据看出，仿真模拟结果前三阶固有频率值与试验得到的固有频率值基本一致，说明仿真模拟结果可靠，采用的仿真模拟方法正确可行。

5 结语

结合流固耦合基本理论，在Workbench平台用仿真模拟的方法分析了不同倾角热交换器壳程流场，导入结构静力场中进行了模态分析。通过在热交换器振动性能测试平台上进行试验，得到了不同倾斜角度对热交换器管束振动特性的影响，对比试验结果与仿真模拟结果得出以下结论，①水平热交换器卡门旋涡最大横流速度模拟值大于GB/T 151—2014的理论计算值。②换热管束振动阶数越高，固有频率越大，固有频率随着振动阶数的增高而递增。③热交换器倾斜时换热管固有频率会减小，倾斜安装对管束振动影响较大。试验得到的换热管固有频率结果与仿真模拟结果基本一致，在试验测试平台安装使用的误差范围内，验证了仿真模拟方法的正确性，为后续研究提供了借鉴。