楊元龍，王興剛

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064)

0 引 言

流致振動誘發(fā)的螺旋管破損現(xiàn)象已成為影響船用螺旋管換熱器安全性和可靠性的主要因素之一。在船舶動力裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用支撐板固定螺旋管，防止流體誘導(dǎo)傳熱管振動［1］。但螺旋管換熱器運(yùn)行過程中，換熱器內(nèi)部常伴有流固耦合傳熱、水位波動、雜質(zhì)濃縮、管束微振磨損等現(xiàn)象產(chǎn)生，極大影響了螺旋管換熱器的安全運(yùn)行。因此，研究船用螺旋管換熱器的熱工水力及流致振動特性對船舶蒸汽動力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對熱交換器熱工水力及動力方面做了大量研究［2－6］。薄涵亮［4］利用縮比例螺旋管束試驗(yàn)臺，分析及預(yù)測螺旋管流致振動規(guī)律;Chen［6］基于試驗(yàn)研究了螺旋管換熱器流動結(jié)構(gòu)及流致振動特性。但在公開文獻(xiàn)中采用流固耦合方法船用換熱器流動與傳熱特性少有研究。鑒于此，本文以實(shí)際典型船用螺旋管換熱器為原型，采用流固耦合計(jì)算方法對船用換熱器流動結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，捕捉壓力、溫度、流速等關(guān)鍵參數(shù)的分布規(guī)律，借助水力結(jié)構(gòu)和力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，揭示船用換熱器的“薄弱”部位，為船用換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析提供理論基礎(chǔ)。

1 物理網(wǎng)格模型

螺旋管換熱器的結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格模型如圖1 和圖2所示。換熱器采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，殼體采用O 網(wǎng)格方法增加邊界層網(wǎng)格，近壁網(wǎng)格無量綱尺寸y + 為26 ～37，網(wǎng)格正交率、傾斜率滿足計(jì)算要求。

圖1 螺旋管換熱器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of helical heat exchanger

圖2 網(wǎng)格模型Fig.2 Grid model

2 數(shù)學(xué)控制方程

2.1 流動控制方程

使用k －ε 模型計(jì)算換熱器湍流脈動特性。湍流計(jì)算求解方程具體形式參見文獻(xiàn)［7］。

2.2 傳熱管導(dǎo)熱方程

在數(shù)值仿真中，忽略傳熱管的移動及應(yīng)力的作用因子，故螺旋管在放熱過程中應(yīng)滿足導(dǎo)熱方程［1］。

3 換熱器流動與傳熱分析

3.1 熱工特性

圖3 給出了螺旋管換熱器壓力變化曲線。由圖可知，沿著換熱器水工質(zhì)的流動方向，介質(zhì)壓力不斷下降，主要是由于沿著介質(zhì)流動方向，螺旋管導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)生摩擦壓降和局部壓降，最終導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部壓力逐漸降低。

圖4 給出了螺旋管換熱器局部壓力場分布規(guī)律。從圖中可發(fā)現(xiàn)，沿著流體流動方向，在螺旋管的沿程局部阻力和流體自身重力的聯(lián)合作用下，使得流體壓力快速降低，進(jìn)、出口的壓降達(dá)到190 Pa。

圖5 給出了換熱器流速分布曲線。換熱器殼側(cè)水工質(zhì)進(jìn)口流速為0.4 m/s，從流速分布曲線可知，沿著水工質(zhì)流動方向，流速先緩慢升高再快速上升，最高流速達(dá)到0.48 m/s。主要是由于換熱器進(jìn)口區(qū)域流體密度大，上升速度較慢;在掠過螺旋管區(qū)域時，傳熱管放出大量熱量，水溫度升高，密度降低，導(dǎo)致流速快速升高。

流速分布規(guī)律如圖6 所示，在螺旋管擾流的作用下，導(dǎo)致螺旋管兩側(cè)流速高于螺旋管管間區(qū)域的流速，但截面平均流速不斷上升。

流速分布矢量圖如圖7 所示。從圖中可發(fā)現(xiàn)，螺旋管上、下游管間出現(xiàn)回流現(xiàn)象，導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部雜質(zhì)易在本區(qū)域產(chǎn)生沉積，減小傳熱管的換熱效率，降低換熱器運(yùn)行性能。

螺旋管換熱器壁面剪切應(yīng)力變化規(guī)律如圖8 所示。在流體沖擊作用下，傳熱管壁面剪切應(yīng)力較大，且沿著流體流動方向，介質(zhì)流速升高，剪切應(yīng)力數(shù)值也不斷增加，換熱管局部剪切應(yīng)力變化率約達(dá)到15 s－1。因此，換熱器螺旋管下表面成為易破損的薄弱區(qū)域，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時管壁應(yīng)增加設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

圖3 壓力變化曲線Fig.3 Pressure curves

圖4 壓力變化云圖Fig.4 Pressure contours

圖5 流速變化曲線Fig.5 Velocity curves

圖6 流速分布規(guī)律Fig.6 Velocity distributions

圖7 流速矢量圖Fig.7 Velocity vectors

圖8 剪切力變化規(guī)律Fig.8 Wall shear distributions

3.2 傳熱特性分析

為清晰揭示換熱器內(nèi)流體溫度變化特性，圖9給出了換熱器流體溫度分布曲線。水進(jìn)口溫度為300 K，螺旋電加熱管的電導(dǎo)率為6 ×107s/m，在螺旋管的加熱作用下，流體溫度不斷升高，最終流體出口溫度達(dá)到380 K。

螺旋管與介質(zhì)存在強(qiáng)制對流換熱，平均對流換熱系數(shù)分布規(guī)律在圖10 中體現(xiàn)。由圖可知，由于螺旋管側(cè)壁區(qū)域流體流速更高，對流傳熱強(qiáng)度大，導(dǎo)致螺旋管側(cè)壁平均對流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于上、下管壁的傳熱系數(shù)。

為了表征換熱器內(nèi)部溫度場局部規(guī)律，本文給出了換熱器螺旋管及縱截面的溫度分布云圖，如圖11 所示。從圖中可發(fā)現(xiàn)，螺旋管上、下部位溫度明顯高于管側(cè)壁溫度。主要原因是螺旋管側(cè)壁流速較高，沖刷管壁速度快，對流傳熱系數(shù)大(約達(dá)到2 600 W/m2. K)，壁面流體傳熱熱阻較小，促使管側(cè)壁的溫度更接近流體的溫度，同理，螺旋管上、下區(qū)域?qū)α鱾鳠釓?qiáng)度低，平均傳熱系數(shù)小，傳熱熱阻較大，導(dǎo)致管壁溫度遠(yuǎn)高于流體溫度，因此螺旋管上、下管壁部位溫度明顯高于管側(cè)壁溫度?；谏鲜鰺峁ぬ匦苑治隹芍?，螺旋管上、下管壁區(qū)域溫度高，更容易產(chǎn)生爆管現(xiàn)象。

圖9 溫度變化曲線Fig.9 Temperature curves

圖10 傳熱系數(shù)變化曲線Fig.10 Heat transfer coefficient curves

圖11 溫度分布規(guī)律Fig.11 Temperature distributions

3.3 動力特性預(yù)測分析

在高速流體沖擊作用下，極容易誘發(fā)傳熱管高頻率振動，而流致振動的誘發(fā)機(jī)理主要包括湍流激振、流體彈性不穩(wěn)定、漩渦脫落和聲共振?；谧髡咭郧暗难芯拷Y(jié)果［3］可知，換熱器傳熱管流致振動的作用力與流體沖擊能量成正比關(guān)系，其中流體能量等于流體平均密度乘以流速的平方值［8－9］，即ρU2。

圖12 給出了換熱器流體能量的分布曲線。由圖可知，沿著流體流動的方向，流體沖擊能量逐漸增大，在螺旋管區(qū)域流體能量達(dá)到峰值，在出口區(qū)域不斷減小，主要是由于在螺旋管區(qū)域附近的流體流速較高，在加熱過程中流體密度變化小，導(dǎo)致流體能量高。但在螺旋管上、下游之間的流域，由于湍流脈動形式的改變，誘發(fā)流體能量略有降低。因此，基于流體沖擊能量分布規(guī)律可知，螺旋管承受流致振動破損更加嚴(yán)重。在文獻(xiàn)［4］中，采用加速度傳感器測量內(nèi)側(cè)螺旋管最大振動加速度平方根在1/g～2/g 之間，說明螺旋管內(nèi)側(cè)部位易與支撐板碰撞而磨損，該試驗(yàn)結(jié)果與本文基于流體沖擊能量預(yù)測的螺旋管破損部位大致吻合。

圖13 示出了螺旋管局部流體能量分布云圖。由于螺旋管側(cè)壁區(qū)域的流體沖刷流速較高，在流動密度變化范圍較小條件下，螺旋管側(cè)壁區(qū)域承受流致振動破損更加嚴(yán)重。

圖12 流體能量變化曲線Fig.12 Fluid energy curves

圖13 流體能量分布規(guī)律Fig.13 Fluid energy distributions

4 結(jié) 語

搭建船用螺旋管換熱器三維模型，采用流固耦合方法開展了換熱器流動與傳熱特性的數(shù)值模擬，揭示壓力、流速、溫度等熱工水力參數(shù)分布規(guī)律，借助流致振動預(yù)測方法得到與流致振動密切相關(guān)的流體沖擊能量變化特性。主要結(jié)論如下所示:

1)沿著流動方向，流體壓力快速降低，流速逐漸升高，螺旋管上、下游管間出現(xiàn)回流現(xiàn)象，極易導(dǎo)致雜質(zhì)沉積;

2)螺旋管上、下管壁對流傳熱系數(shù)小，管壁溫度高，容易誘發(fā)爆管現(xiàn)象;

基于流體沖擊能量變化特性，流體能量在螺旋管區(qū)域呈波峰值，且螺旋管側(cè)管壁沖擊能量高于上、下管壁，可以預(yù)測螺旋管側(cè)管壁承受流致振動破壞較嚴(yán)重，同時試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本文數(shù)值預(yù)測結(jié)果。

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