蔡莉莉，葛培琪,2

(1．山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東　濟(jì)南　250061;

2.山東大學(xué) 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東　濟(jì)南　250061)

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換熱器內(nèi)彈性管束固有陣型對(duì)換熱性能的影響

蔡莉莉1，葛培琪1,2

(1．山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南250061;

2.山東大學(xué) 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061)

摘要：彈性管束換熱器管束的振動(dòng)可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱，為了使彈性管束換熱器更好的強(qiáng)化換熱，本文研究了彈性管束的固有陣型對(duì)管束換熱特性的影響。采用work bench數(shù)值分析方法對(duì)彈性管束進(jìn)行模態(tài)分析，得到管束的前十階固有頻率及陣型。采用脈動(dòng)流激勵(lì)彈性管束振動(dòng)，得到彈性管束的類似固有振型，分析管束固有振型變化對(duì)彈性管束換熱特性的影響。結(jié)果表明，對(duì)于管束的面外振型，管束固有振型的振幅出現(xiàn)的位置不同，對(duì)管束的換熱系數(shù)影響很大；對(duì)于管束的面內(nèi)振型，隨著管束面內(nèi)振型階數(shù)增大，彈性管束的換熱系數(shù)增大。

關(guān)鍵詞：彈性管束；換熱器；固有陣型；流體誘導(dǎo)振動(dòng)；強(qiáng)化換熱

0引言

彈性管束是一種新型換熱元件，彈性管束換熱器可以充分利用流體誘導(dǎo)管束振動(dòng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱。流體誘導(dǎo)彈性管束振動(dòng)可以提高對(duì)流換熱系數(shù)，同時(shí)降低污垢熱阻，可以實(shí)現(xiàn)管束的復(fù)合強(qiáng)化換熱[1-2]。彈性管束換熱器流體誘導(dǎo)管束振動(dòng)與強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究表明，彈性管束換熱器的換熱效果隨振動(dòng)頻率和振幅的增加而顯著增大[3-6]。對(duì)比振動(dòng)與靜止的管外換熱系數(shù)發(fā)現(xiàn)，在相同振動(dòng)雷諾數(shù)下，頻率對(duì)換熱系數(shù)增大的貢獻(xiàn)大于振幅[7]。彈性管束布置方式對(duì)管束傳熱特性也有很大影響，對(duì)大多數(shù)工況，兩側(cè)分布(錯(cuò)排)>單側(cè)分布(錯(cuò)排)>單側(cè)分布(順排)[8]。研究表明，管型、振動(dòng)頻率、振幅是影響管束換熱系數(shù)的主要因素[8]。換熱器內(nèi)錐螺旋彈性管束振動(dòng)與傳熱特性研究[9]表明，不同形狀橢圓截面、錐螺旋管束的錐度對(duì)管束傳熱性能影響很大。圓柱管排流體誘導(dǎo)振動(dòng)及換熱特性數(shù)值分析[10]為彈性管束的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流體誘導(dǎo)振動(dòng)控制等提供一定的參考。

彈性管束是連續(xù)彈性體，具有無(wú)限多自由度和固有振型。本文針對(duì)彈性管束換熱器，建立了單一彈性管束換熱器模型，通過(guò)workbench模擬仿真分析，得到了管束固有振型對(duì)管束換熱的影響規(guī)律。

1彈性管束固有振動(dòng)特性分析

1.1　管束模型及參數(shù)

彈性管束二維模型如圖1，彈性管束由四根紫銅彎管1,2,3,4及兩個(gè)自由塊5,6組成。彎管材料為Cu，兩個(gè)自由塊材料是Q235。彈性管束的幾何尺寸及材料屬性如表1所示。

表1平面彈性管束的幾何尺寸及材料屬性

尺寸名稱數(shù)值材料屬性數(shù)值銅管截面外徑/mm10紫銅彈性模量/GPa129銅管截面內(nèi)徑/mm7紫銅泊松比0.33R1/mm70紫銅密度/kg·m-38900R2/mm90Q235彈性模量/GPa210R3/mm110Q235泊松比0.3R4/mm130Q235密度/kg·m-37800連接體5各邊長(zhǎng)/mm40×20×20連接體6各邊長(zhǎng)/mm80×20×20

圖1　彈性管束結(jié)構(gòu)圖

圖2　彈性管束網(wǎng)格劃分圖

建立彈性管束三維模型，對(duì)彈性管束進(jìn)行設(shè)置，彈性管束A,B端設(shè)為全約束條件(fixed supports)，彈性管束的彎管及自由塊之間設(shè)為剛性連接。對(duì)彈性管束劃分網(wǎng)格如圖2所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)(Nodes)是199638，單元數(shù)(elements)是69510。

1.2　計(jì)算結(jié)果分析

利用workbench對(duì)彈性管束進(jìn)行模態(tài)分析，得到平面彈性管束的前十階固有頻率及固有振型。由模態(tài)分析結(jié)果，管束前十階固有振型既有面內(nèi)振動(dòng)又有面外振動(dòng)，其中1、4、6、8、10階振型是面內(nèi)振動(dòng)，2、3、5、7、9階振型是面外振動(dòng)，如表2所示。

表2管束的前十階頻率及振型

階次頻率f/Hz振型121.122面內(nèi)振型221.226面外振型325.992面外振型432.916面內(nèi)振型537.604面外振型654.052面內(nèi)振型764.398面外振型875.73面內(nèi)振型9107.74面外振型10111.18面內(nèi)振型

2換熱器計(jì)算模型及邊界條件

2.1　單一彈性管束換熱器模型

單一彈性管束換熱器三維模型如圖3，并利用workbench建立換熱器內(nèi)殼程流場(chǎng)如圖4。

圖3 換熱器三維模型圖4 換熱器內(nèi)流體網(wǎng)格

2.2　網(wǎng)格劃分及邊界條件

彈性管束換熱器內(nèi)流體網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分的方法，網(wǎng)格數(shù)(elements)為2057970，節(jié)點(diǎn)數(shù)(nodes)為 392484。通過(guò)改變網(wǎng)格尺寸驗(yàn)證了網(wǎng)格獨(dú)立性，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，選定網(wǎng)格尺寸。網(wǎng)格再加密，計(jì)算結(jié)果偏差<3%。

流體邊界條件：脈動(dòng)流激勵(lì)彈性管束振動(dòng)時(shí)，脈動(dòng)流來(lái)流入口設(shè)置為inlet，來(lái)流為恒定溫度293 K；流體出口為壓力出口，p=0；管束外壁面設(shè)置為流固耦合壁面，溫度為323 K。固定壁面的流動(dòng)邊界條件為無(wú)滑移速度邊界條件，溫度為323 K，熱量傳輸設(shè)定為Thermal Energy。

3彈性管束固有振型對(duì)換熱性能的影響

在workbench中模擬脈動(dòng)流激勵(lì)單一彈性管束振動(dòng)，觀察彈性管束的振動(dòng)響應(yīng)特性及換熱特性變化，得到彈性管束的固有振型變化對(duì)管束換熱性能的影響規(guī)律。

對(duì)脈動(dòng)流采用相同的脈動(dòng)流幅值，使脈動(dòng)流頻率與彈性管束的各階固有頻率相同，激勵(lì)彈性管束振動(dòng)，得到彈性管束的管外平均換熱系數(shù)。脈動(dòng)流速度表達(dá)式為

(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，彈性管束管外平均換熱系數(shù)如表3所示。

表3不同固有振型下管束的平均換熱系數(shù)

振型階數(shù)管外表面換熱系數(shù)/W·m-2·K-1)一階(面內(nèi))1340二階(面外)2060三階(面外)2840四階(面內(nèi))2280五階(面外)1906六階(面內(nèi))2520七階(面外)1800八階(面內(nèi))2940九階(面外)2953十階(面內(nèi))3126

4計(jì)算結(jié)果分析

彈性管束的管外平均換熱系數(shù)變化曲線如圖5，圖6所示。

圖5　面外振型對(duì)管外平均換熱系數(shù)影響規(guī)律

圖6　面內(nèi)振型對(duì)管外平均換熱系數(shù)影響規(guī)律

在研究范圍內(nèi)，由模態(tài)分析得知，管束面外振型的振幅出現(xiàn)的位置不同。由換熱特性分析，在不同面外振型下，管束振幅位置不同，管束的管外平均換熱系數(shù)有很大差別。

從模擬結(jié)果分析，彈性管束的大小自由端優(yōu)于彈性管束的彎管。如果管束面外振型振幅出現(xiàn)的位置相同，則隨著振型階數(shù)的增大，彈性管束的管外平均換熱系數(shù)增大。

對(duì)于管束的面內(nèi)振型，即在彈性管束平面內(nèi)的振動(dòng)，是彈性管束的面內(nèi)伸縮運(yùn)動(dòng)。隨著管束固有振型階數(shù)的增大，彈性管束振動(dòng)的頻率、振幅都相應(yīng)增大，彈性管束的管外平均換熱系數(shù)增大。

5結(jié)論

本研究通過(guò)建立單一彈性管束換熱器模型，通過(guò)workbench分析不同彈性管束固有振型下管束的管外平均換熱系數(shù)，得到如下結(jié)論：

(1)對(duì)于管束的面外振型，管束固有振型的振幅出現(xiàn)的位置不同，對(duì)管束的換熱系數(shù)影響很大。

(2)對(duì)于管束面內(nèi)振型，隨著管束振型階數(shù)增大，彈性管束的換熱系數(shù)增大。

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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

作者簡(jiǎn)介：蔡莉莉(1990~)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槊}動(dòng)流誘導(dǎo)振動(dòng)分析。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475268)

收稿日期2015-01-30修訂稿日期2015-03-12

中圖分類號(hào)：TK124

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6339 (2015) 06-0509-03