圆柱管排流体诱导振动及换热特性数值分析-论文.pdf

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1、第27卷第5期热能动力工程Vo1．27，No．52012年9月JOURNALOFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWERSep．，2012文章编号：1001—2060(2012)05—0554—06一广力热程工一圆柱管排流体诱导振动及换热特性数值分析、+1、宿艳彩，葛培琪，闰柯(山东大学机械工程学院，山东济南250061)摘要：基于Workbench和CFX模拟技术对流体诱导不同为了更有效的利用流体诱导振动技术提高弹性间距(￡=1．5d、3．5d、4．5d和5d)顺排和叉排圆柱振动及管束的换热率，本研究通过Workbench建模结合换热特性进行了数值分析。研究

2、结果表明：流体诱导顺排圆CFX流体分析技术，对串联双圆柱及叉排三圆柱下柱振动，其圆柱间距存在一个临界值L=3．5d，当间距小于游圆柱流体诱导振动及换热特性进行了分析，为弹3．5d，随着间距的减小，下游圆柱振动的幅值和频率减小：性管束的结构设计、流体诱导振动控制等提供一定当间距大于3．5d，下游圆柱的振动频率不再随着间距的增的参考。大而变化；下游圆柱处于上游圆柱的尾流涡尾部时．振动幅值较小，但圆柱侧面平均换热效果较佳。同工况同间距下，流体诱导顺排圆柱下游圆柱的振动幅值和频率大于叉排圆1计算模型及参数柱下游圆柱的振动幅值。当L>3．5d时，流体诱导顺排圆柱下游圆柱的换热效果优于叉排圆柱下游圆柱

3、的换热效果。1．1计算模型关键词：顺排圆柱；叉排圆柱；涡激振动；振动换热根据文献[10～l2]，二维流场中横向弹性支中图分类号：TK124文献标识码：A撑，纵向固定的圆柱在流体的绕流下产生横向振动的计算模型，如图1～图2所示。图1为圆柱间距引言为时，串联双圆柱流体诱导振动换热简图；图2为圆柱间距为，叉排距离为0．9d时，叉排三圆柱流在一定参数范围内，换热壁面的振动能够强化体诱导振动换热简图。流体区的设置及计算在传热_】J，但在常规的换热器内的流体诱导振动会CFX中完成，其尺寸为200mmx280mm的二维流导致剧烈的噪声及元件的损坏，所以在较长一段时场，流场左侧设为速度入口，来流为沿轴正向

4、的间内，对振动的研究多以防止为目的，而忽略其有利稳态流，右侧为溢流出口，上下为绝热固定壁面，圆的一面。近年来，学者们开始利用流体诱导振动来柱壁面设置为流固双向耦合壁面，网格划分如图3强化换热，并取得了较为理想的效果。文献[6—7](a)所示，共计12125个单元，24848个节点。流固对其研发的诱导振动微翅散热器进行传热实验研双向耦合中固体圆柱部分的受力变形计算及边界设究，在相同的空气流速下比较微翅散热器和平板散置在Workbench中完成，圆柱前后圆面沿y轴设置热器的散热效率，产生诱导振动的微翅散热器可以自由位移约束，沿轴设置位移约束为零，圆柱侧加强冷却换热效率5．4％一11．5％。文献

5、[8～9]对面设置为流固双向耦合边界及弹性支撑边界。圆柱新型的弹性管束换热器进行了传热与振动实验研直径d=0．01in，网格划分如图3(b)所示，每个圆究，其换热效果随诱导振动频率和振幅的增加而显柱210个单元，1292个节点。流体域和固体域的网著增大。弹性管束换热器和微翅散热器的设计都能格通过不断加密，试算后，使得数值计算结果不再随够有效地利用流体诱导振动的积极方面，其既能保着网格的加密而变化。以水为流动介质，并设为常证换热元件在一定范围内安全振动，同时又能在一物性。利用k一8湍流计算模型，其湍流动能方程及定程度上利用流体运动所激发的自由振动来强化耗散率方程如下。传热。湍流动能方程：收稿

6、日期：2011—11—24；修订日期：2012—01—25基金项目：国家重点基础研究发展规划(973计划)基金资助项目(2007CB206900)；山东大学自主创新基金资助项目(31360070613218)作者简介：宿艳彩(1978一)，女，山东潍坊人，山东大学博士研究生．·558·热能动力工程2012拄嚣j酲l轰间距×图10串联双圆柱下游圆柱的振动频率图11串联双圆柱及叉排三圆柱流体诱导下随间距的变化游圆柱侧面平均换热系数随间距L的变化Fig．10Changeoftandembi—cylindervibrationFig．11Changeoftandembi-cylinderandfr

7、equenciesofthedownstreamcylinderstaggeredtri-·cylinderSUl~acearea·-averagedheatwiththespacing三exchangecoefficientofthedownstreamcylinderwiththespacingL2．3流体诱导串联双圆柱及叉排三圆柱振动换热特性分析对图6和图9同工况下串联双圆柱及又排三圆3结论柱流体诱导振动换热特性进