王成剛，劉 慧，劉 俊，肖 健，高 興，蓋超會(huì)

（1．武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2．武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430205）

0 引 言

彈性管束換熱器是利用流體誘導(dǎo)振動(dòng)來達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果，并且還有利于降低污垢熱阻，實(shí)現(xiàn)復(fù)合強(qiáng)化傳熱［1］．通過誘發(fā)和控制傳熱元件自由振動(dòng)達(dá)到流體誘導(dǎo)振動(dòng)強(qiáng)化傳熱來防止振動(dòng)破壞，因此控制換熱器內(nèi)部傳熱元件的振動(dòng)至關(guān)重要［2－3］．為了實(shí)現(xiàn)換熱器的強(qiáng)化傳熱和流體誘導(dǎo)強(qiáng)化傳熱技術(shù)，研究如何合理地誘發(fā)傳熱元件振動(dòng)以及實(shí)現(xiàn)對(duì)傳熱元件的有效控制有著重要的意義［4］．由于脈動(dòng)流的脈動(dòng)參數(shù)具有周期性變化的特點(diǎn)，可以將其作為對(duì)傳熱元件進(jìn)行簡諧激勵(lì)的外部激勵(lì)源，以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳熱元件振動(dòng)的控制［5－6］．為了控制傳熱元件振動(dòng)的效果，采用脈動(dòng)流發(fā)生裝置來誘導(dǎo)彈性管束產(chǎn)生一定頻率的周期性振動(dòng)［7－8］．然后利用得到的周期性振動(dòng)的脈動(dòng)流流體流經(jīng)彈性管束，進(jìn)而研究彈性管束換熱器的振動(dòng)頻率．

1 彈性管束結(jié)構(gòu)及有限元模型

彈性管束由四根彎管和兩塊不銹鋼連接體組成，其三維實(shí)體模型如圖1所示．連接體5、6兩處為固定端，A、B兩端可以自由運(yùn)動(dòng)．管束從外到內(nèi)的編號(hào)分別為4、3、2、1，換熱器工作時(shí)管程流體可以從A、B兩端的任意一端進(jìn)入，依次經(jīng)過四根彈性管束，連接體將相鄰管束連通．利用ANSYS軟件建立了彈性管束有限元模型，連接體選用六面體實(shí)體單元Solid45建模，管束選用板殼單元Shell93建模，網(wǎng)格劃分后得到的有限元模型如圖2所示．

圖1 彈性管束結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Schematic drawing of elastic tube bundle structure

圖2 彈性管束的有限元模型Fig．2 Finite element model of elastic tube bundle

2 模態(tài)分析及計(jì)算結(jié)果

利用ANSYS軟件中結(jié)構(gòu)力學(xué)的模態(tài)分析模塊對(duì)管束進(jìn)行分析，得到平面彈性管束結(jié)構(gòu)的各階固有頻率和相應(yīng)振型．管束各部件的幾何尺寸和材料屬性列于表1和表2中．表3給出了平面彈性管束結(jié)構(gòu)前10階固有頻率和振型，從計(jì)算結(jié)果可以看出，平面彈性管束的振型存在兩種：在管束平面內(nèi)的面內(nèi)振型和垂直于管束平面的面外振型．實(shí)際工況中，在內(nèi)外流體的共同作用下，彈性管束呈現(xiàn)出的是一種復(fù)合而成的復(fù)雜三維運(yùn)動(dòng)，并不是簡單的處于一種面內(nèi)振動(dòng)狀態(tài)或者面外振動(dòng)狀態(tài)．周圍流體由于管束這種復(fù)雜的三維振動(dòng)狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，這有利于邊界層厚度減薄，進(jìn)而導(dǎo)致熱阻減小，對(duì)流傳熱系數(shù)增加，換熱性能提高．而且管束振動(dòng)變形使管束表面污垢不易附著和促進(jìn)污垢的脫落，導(dǎo)致污垢熱阻減小，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)合強(qiáng)化傳熱．

表1 彈性管束的幾何尺寸Table 1 Geometric dimensions of elastic tube bundle mm

表2 彈性管束的材料屬性Table 2 material properties of elastic tube bundle

表3 彈性管束結(jié)構(gòu)模態(tài)Table 3 The structure mode of elastic tube bundle

3 脈動(dòng)流發(fā)生裝置三維仿真計(jì)算

考慮到是研究無源強(qiáng)化傳熱形式以及實(shí)際生產(chǎn)中安裝的可行性，因此產(chǎn)生所需脈動(dòng)流采用的是在分支出口處安放繞流體的方式．流體流經(jīng)一定形狀的繞流體后內(nèi)部存在旋渦，會(huì)產(chǎn)生旋渦分離，在不同位置流體的速度值和壓力值是不同的，導(dǎo)致尾流中流體的流速、壓力、密度產(chǎn)生周期性變化，從而出口處流體的速度、壓力會(huì)隨時(shí)間而變化，形成脈動(dòng)流．然而對(duì)于不同繞流體的截面形狀所產(chǎn)生的脈動(dòng)流強(qiáng)度和穩(wěn)定性也不同．斯特羅哈爾數(shù)St是繞流體最主要的特性參數(shù)，可根據(jù)渦脫落頻率計(jì)算得到：

其中：fs為漩渦脫落頻率，Hz；d為繞流體迎流面特征寬度，m；u1為繞流體兩側(cè)的平均速度，m／s；m為繞流體兩側(cè)流通面積與管道流通面積之比；u為管道內(nèi)平均流速，m／s．

選用三棱柱繞流體和圓柱繞流體，m＝0．72．各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸：直管部分內(nèi)徑為30 mm、長度為590 mm，分支部分直管管束內(nèi)徑為12 mm、長度為24 mm、三棱柱繞流體橫向特征寬度為2．8 mm，三棱柱迎流面距離分支入口為12 mm；圓柱繞流體的直徑為4 mm，圓柱迎流面距離分支入口為12 mm．分支部分的有限元模型如圖3所示：圖3（a）為三棱柱繞流體分支部分有限元模型、圖3（b）為圓柱繞流體分支部分有限元模型．

按照上述的結(jié)構(gòu)尺寸利用FLUENT計(jì)算軟件，對(duì)脈動(dòng)流發(fā)生裝置進(jìn)行仿真計(jì)算，在脈動(dòng)流發(fā)生裝置入口處流速設(shè)為0．4 m／s，在分支出口處檢測速度變化情況，得到如圖4所示的曲線：圖4（a）為三棱柱繞流體監(jiān)測點(diǎn)的速度變化曲線、圖4（b）為圓柱繞流體監(jiān)測點(diǎn)的速度變化曲線．可以看出兩種繞流體監(jiān)測點(diǎn)的速度變化曲線波形明顯并且具有一定的穩(wěn)定性．三棱柱繞流體的速度變化范圍在0．4～1．3 m／s之間，圓柱繞流體的速度變化范圍在0．07～0．15 m／s之間，相比較而言三棱柱繞流體產(chǎn)生的波形速度變化范圍更大并且速度變化曲線的波形也比較穩(wěn)定，因此三棱柱繞流體更適合用于脈動(dòng)流發(fā)生裝置．

圖4 監(jiān)測點(diǎn)的速度變化曲線Fig．4 The speed curve of monitoring stations

三棱柱繞流體的速度變化頻率由圖4（a）可計(jì)算得到基本為41．67 Hz．此時(shí)的St值為0．21，與相關(guān)研究中St所給的范圍比較一致．

4 裝置整體的實(shí)際頻率

利用脈動(dòng)流發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈動(dòng)流流體流經(jīng)彈性管束換熱器，對(duì)彈性管束的振動(dòng)頻率進(jìn)行分析計(jì)算．通過變頻器調(diào)節(jié)泵的流量來實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)流發(fā)生裝置入口流速的變化，利用FFT（快速傅里葉變換）得到管束的振動(dòng)頻譜圖．選用脈動(dòng)流發(fā)生裝置入口速度為0．4 m／s時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)流流體流經(jīng)彈性管束換熱器，模擬了第一排平面管束及換熱器的振動(dòng)頻譜圖，如圖5（a）、5（b）所示．從圖5（a）可以看出管束的振動(dòng)頻譜主要包括30 Hz、42 Hz、52 Hz三個(gè)頻率，從圖5（b）可以看出：管束振動(dòng)頻譜中的30 Hz和52 Hz是由外界干擾所產(chǎn)生，由脈動(dòng)流引起的振動(dòng)頻率為42 Hz，這一數(shù)值與之前的結(jié)果基本一致．

圖5 振動(dòng)頻率Fig．5 Vibration frequency

5 結(jié) 語

a．利用ANSYS軟件對(duì)彈性管束進(jìn)行模態(tài)分析，得到彈性管束的振動(dòng)是一種復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng)．這無疑對(duì)提高彈性管束的換熱性能和抗結(jié)垢能力產(chǎn)生重要影響．

b．在平面彈性管束分支出口安放繞流體可以產(chǎn)生脈動(dòng)流，采用安放三棱柱繞流體能夠產(chǎn)生波形較好的脈動(dòng)流．因此三棱柱繞流體更適合用于該脈動(dòng)流發(fā)生裝置．

c．利用FLUENT軟件對(duì)脈動(dòng)流發(fā)生裝置進(jìn)行仿真計(jì)算得到的頻率與實(shí)際情況下脈動(dòng)流流體流經(jīng)彈性管束換熱器引起的振動(dòng)頻率相一致．

致謝

感謝國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和武漢工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金的資助！

［1］程林．彈性管束換熱器原理及應(yīng)用［M］．北京：科學(xué)出版社，2001．CHENG Lin．The principle and application of elastic tube bundle heat exchanger［M］．Beijing：Science Press，2001．（in Chinese）

［2］鄭繼周，程林，杜文靜．彈性管束動(dòng)態(tài)特性子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合法［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（7）：202－208．ZHENG Ji－zhou，CHENG Lin，DU Wen－jing．Dynamic characteristic of elastic tube bundles with component mode synthesis method［J］．Chinese Journal Of Mechanical Engineering，2007，43（7）：202－208．（in Chinese）

［3］L．Cheng，T．Luan，W．Du，M．Xu．Heat transfer enhancement by flow－induced vibration in heat exchangers［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2009，52（3）：1053－1057．

［4］吳峰，王秋旺．脈動(dòng)流條件下帶突起內(nèi)翹片管強(qiáng)華傳熱數(shù)值研究［J］．中國機(jī)電工程學(xué)報(bào)，2007，35（12）：108－112．WU Feng，WANG Qiu－wang．Numerical simulation on heat transfer enhancement inside internally longitudinal protuberant finned tube under pulsating flow［J］．Proceeding Of the CSEE，2007，35（12）：108－112．（in Chinese）

［5］田茂誠，姜波，冷學(xué)禮，等．流體誘導(dǎo)新型彈性管束振動(dòng)強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)［J］．山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，41（5）：21－25．TIAN Mao－cheng，JIANG Bo，LENG Xue－li，et al．Experimental research on heat transfer enhancement characteristics of a new type by flow－induced vibration elastic tube bundle［J］．Journal Of Shandong U－niversity：Engineering Science，2011，41（5）：21－25．（in Chinese）

［6］姜波，田茂誠，冷學(xué)禮，等．振動(dòng)管外流動(dòng)與傳熱實(shí)驗(yàn)研究及場協(xié)同分析［J］．振動(dòng)與沖擊，2009，28（5）：102－106．JIANG Bo，TIAN Mao－cheng，LENG Xue－li，et al．Experimental research and field synergy analysis of flow and heat transfer outside a vibratory tube［J］．Journal of Vibration and Shock，2009，28（5）：102－106．（in Chinese）

［7］孫雷，趙剛．基于流固耦合的換熱器管束振動(dòng)分析［J］．壓力容器，2011，28（8）：39－43．SUN Lei，ZHAO Gang．Vibration analysis of heat exchange tube bundle based on fluid－structure coupling［J］．Pressure Vessel Technology，2011，28（8）：39－43．（in Chinese）

［8］田茂誠，程林，林頤清，等．管外水流誘導(dǎo)管束振動(dòng)強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2002，23（1）：63－66．TIAN Mao－cheng，CHENG Lin，LIN Yi－qing，et al．Experimental investigation of heat transfer enhancement by crossflow induced vibration［J］．Journal of Engineering Thermophysics，2002，23（1）：63－66．（in Chinese）

［9］鄭賢中，余潛軍，周寧波，等．脈動(dòng)流技術(shù)在管殼式換熱器振動(dòng)分析中的應(yīng)用［J］．武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35（8）：68－73．ZHENG Xian－zhong，YU Qian－jun，ZHOU Ning－bo，et al．Application of pulsating flow technology in vibration analysis of shell－and－tube heat exchanger［J］．Journal Wuhan Institute of Technology，2013，35（8）：68－73．（in Chinese）

［10］喻九陽，聶思皓，鄭小濤，等．波紋管內(nèi)層流脈動(dòng)流傳熱和阻力特性的數(shù)值研究［J］．武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)．2013，35（2）：60－64．YU Jiu－yang，NIE Si－h(huán)ao，ZHENG Xiao－tao，et al．Numerical analysis on heat transfer characteristic and pressure drop of pulsating flow in corrugated tube［J］．Journal Wuhan Institute of Technology，2013，35（2）：60－64．（in Chinese）