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1、基于流固耦合的換熱管束振動分析孫雷，趙剛，劉華君，張世民(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)摘要：闡述了換熱器管束振動的機理、破壞形式以及換熱管共振特性的研究方法。突破傳統(tǒng)研究方法的局限性，運用有限元分析軟件，采用流固耦合的方法對換熱管共振特性進行了研究。結(jié)合某油田項目中一臺管殼式換熱器，對單根換熱管共振特性、換熱管束共振特性影響因素以及動態(tài)響應(yīng)特性進行了全面研究，得出了調(diào)整換熱管束共振頻率、避免共振的有效方法，結(jié)論具備一定的工程應(yīng)用參考價值。關(guān)鍵詞：換熱管束；流固耦合；共振特性中圖分類號：TE965；0241．82文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1001—4
2、837(2011)08—0039一o5doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2011．08．008VibrationAnalysisofHeatExchangeTubeBundleBasedonFluid——structureCouplingSUNLei，ZHAOGang，LIUHua—jan，ZHANGSift—min(OfshoreOilEngineeringCo．，Ltd．，Tianjin300451，China)Abstract：Themechanismsanddestructiontypesoftubebundleforheatex
3、changerweredescribedaswellastheresearchmethodofresonancecharacteristics．Basedonthefiniteelementanalysissoftware，themethodoffluid—structurecouplingwasappliedontheresearch．Combiningwithasetofheatexchanger，thefactorsafectingtheresonancecharacteristicsofsingletubeandtubebundlewereresearc
4、hedcompre—hensivelyaswellasthecharacteristicsofdynamicresponse．Thentheeffectivemeasuresofadjustingtheresonancefrequencyandavoidingresonanceareobtained．Theconclusionscanbeusedinengineeringasreference．Keywords：heatexchangertubebundle；fluid—structurecoupling；resonancecharacteristics熱器局部
5、失效甚至整體報廢J。0引言換熱管的振動與換熱管的固有頻率及流體的橫向激振力密切相關(guān)。按激勵型式的不同，流體在管殼式換熱器的設(shè)計中，為了使其具有較橫向激振可以分為旋渦分離、流體的彈性激振、紊高的熱力性能和低的污垢度，通常需要高的流速、流抖振和聲學(xué)激振J。旋渦分離、紊流抖振和合理的壓降?。在流體橫向流的沖擊下，換熱管聲學(xué)激振是振動響應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)激振頻率與管子頻管束容易產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動趨勢。如果振動振幅率同步就產(chǎn)生振動響應(yīng)j。流體彈性激振的發(fā)達到足夠大，則可能出現(xiàn)換熱管結(jié)構(gòu)破壞，造成換生，是管子在殼程流體橫流速度達到臨界值時，導(dǎo)39基于流固耦合的換熱管束振動分析Vol2
6、8．No8201l致管子振動響應(yīng)振幅足夠大，從而造成其與相鄰用ANSYS有限元分析軟件，采用流固耦合方法深管子碰撞而破壞。分清振動的分類與根源，入地研究了換熱管束的共振特性及對其產(chǎn)生影響研究管束的共振特性與諧響應(yīng)，對正確認(rèn)識和降的因素，并得出了行之有效的規(guī)律，從而可在一定低換熱管束的振動具有十分重要的意義。程度上指導(dǎo)換熱器的設(shè)計工作。1換熱管束振動研究方法2換熱管共振特性分析目前，在國內(nèi)外的換熱器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，通常采2．1單根換熱管共振特性分析用附加質(zhì)量法來計算換熱管在流體中的固有頻以某項目中的一臺燃料氣加熱器為例，該換率，而具體附加多少流體質(zhì)量主要依靠實驗來確熱
7、器為固定管板式，管程為燃氣、殼程為熱介質(zhì)。定。雖然GB151及TEMA中均給出了換熱管換熱管的材料為普通碳鋼，結(jié)構(gòu)和物料參數(shù)如表固有頻率的簡化計算公式，但并沒有給出影響固1所示。有頻率值的相關(guān)因素及其變化規(guī)律』。文中利利用ANSYS進行建模過程中，管壁采用表1燃料氣加熱器的設(shè)計參數(shù)換熱管尺寸／mm彈性模量折流折流板間距換熱管密度熱介質(zhì)密度燃氣密度泊松比外徑壁厚管長進口跨距／MPa板數(shù)／mm／kg·m一／kg·m一／kg·m一19212353l02．1x10O．371207．8×1079518．16SHELL63號單元進行建模，流體區(qū)域采用Fluid30號流體介質(zhì)
8、單元，建立換熱管的流固耦
