基于流固耦合的换热管束振动分析.pdf

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1、基于流固耦合的换热管束振动分析孙雷，赵刚，刘华君，张世民(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)摘要：阐述了换热器管束振动的机理、破坏形式以及换热管共振特性的研究方法。突破传统研究方法的局限性，运用有限元分析软件，采用流固耦合的方法对换热管共振特性进行了研究。结合某油田项目中一台管壳式换热器，对单根换热管共振特性、换热管束共振特性影响因素以及动态响应特性进行了全面研究，得出了调整换热管束共振频率、避免共振的有效方法，结论具备一定的工程应用参考价值。关键词：换热管束；流固耦合；共振特性中图分类号：TE965；0241．82文献标识码：A文章编号：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热器局部

5、失效甚至整体报废J。0引言换热管的振动与换热管的固有频率及流体的横向激振力密切相关。按激励型式的不同，流体在管壳式换热器的设计中，为了使其具有较横向激振可以分为旋涡分离、流体的弹性激振、紊高的热力性能和低的污垢度，通常需要高的流速、流抖振和声学激振J。旋涡分离、紊流抖振和合理的压降⋯。在流体横向流的冲击下，换热管声学激振是振动响应现象，当激振频率与管子频管束容易产生流体诱导振动趋势。如果振动振幅率同步就产生振动响应j。流体弹性激振的发达到足够大，则可能出现换热管结构破坏，造成换生，是管子在壳程流体横流速度达到临界值时，导39基于流固耦合的换热管束振动分析Vol2

6、8．No8201l致管子振动响应振幅足够大，从而造成其与相邻用ANSYS有限元分析软件，采用流固耦合方法深管子碰撞而破坏。分清振动的分类与根源，入地研究了换热管束的共振特性及对其产生影响研究管束的共振特性与谐响应，对正确认识和降的因素，并得出了行之有效的规律，从而可在一定低换热管束的振动具有十分重要的意义。程度上指导换热器的设计工作。1换热管束振动研究方法2换热管共振特性分析目前，在国内外的换热器设计标准中，通常采2．1单根换热管共振特性分析用附加质量法来计算换热管在流体中的固有频以某项目中的一台燃料气加热器为例，该换率，而具体附加多少流体质量主要依靠实验来确热

7、器为固定管板式，管程为燃气、壳程为热介质。定。虽然GB151及TEMA中均给出了换热管换热管的材料为普通碳钢，结构和物料参数如表固有频率的简化计算公式，但并没有给出影响固1所示。有频率值的相关因素及其变化规律』。文中利利用ANSYS进行建模过程中，管壁采用表1燃料气加热器的设计参数换热管尺寸／mm弹性模量折流折流板间距换热管密度热介质密度燃气密度泊松比外径壁厚管长进口跨距／MPa板数／mm／kg·m一／kg·m一／kg·m一19212353l02．1x10O．371207．8×1079518．16SHELL63号单元进行建模，流体区域采用Fluid30号流体介质

8、单元，建立换热管的流固耦