换热器管壳绕流流体力分布特性研究

刘铮

摘要：针对换热器管壳涡激振动问题，建立单管绕流数值模型模拟来流速度对管壳力源分布的影响，识别定位管壳周向力源位置和涡分离点，获取绕流流体涡脱落频率和流体力。模拟结果表明：管壳结构迎流面承受最大冲击力，背流面出现最大涡激力，且力幅值随流速的增大而增大；涡分离点随流速的增大而后移，但分离点始终置于60~120°测面之间。本文模拟结果能够为换热管束力源识别定位研究提供参考。

关键词：管壳；流体力；脱落频率；压力系数；数值模拟

管壳式换热器具有结构简单、材料适应性广以及耐高温、高压等优点，广泛应用于电力行业、石油化工以及航天航空等工程领域。然而换热器结构设计逐步大型化，管内外流体的流速、压力不断提升，使管壳由于内外流体脉动性变化而产生不平衡惯性力。因此，研究高参数换热器管壳的力源分布具有重要意义。

换热器管束流激振动的原因有漩涡脱落、湍流抖振、声共振、流体弹性不稳定四种主要因素。研究表明，旋涡脱落引起的管壳振动使结构的应力变得复杂并产生疲劳损坏，进而降低结构的可靠性[1]；因此，旋涡脱落是管束振动的主要诱导因素[2,3]。考虑到涡形成、发展和脱落所需的空间条件，目前国内外多采用“尾流振荡模型”来建立涡激振动问题的预测模型[4]。通过CFD技术，开展VIV模拟得到管束涡激振动的动态响应是目前主要的数值方法[5]。Bourguet等采用直接数值模拟(DNS)方法探索了流动方向对振动特性的影响规律，发现横流向涡激振动响应将导致立管张力的显著波动，张力的偏差和周期性变化又会影响涡激振动在流场中产生的流体力和振动响应。

本文通过数值方法，建立换热器管壳绕流数值模型，开展不同流速条件下换热器管壳受力特性分析；获取壳体力源分布规律和涡脱落频率。旨在解决单向耦合中，管壳主要激励源识别定位和流速对结构流体力的影响规律等问题。

1  数值方法

对于管壳绕流问题，本文流场数值模拟过程中采用大涡模拟(Large eddy simulation LES)，流场控制方程为

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，表示来流速度矢量，，和分别表示流体密度，压力和粘度。和为节点应力和亚格子应力(SGS)。

流体力在x，y方向分解近似表示为

(3)

2  数值仿真及结果讨论

2.1  数值模拟方案与模型

绕流管壳直径为0.1m，计算域为方形流域，其尺寸为。模型展向距离选取为4D，从而可以保证管壳周围流动的三维性得到充分发展。管壳的圆心设置在原点处，其与入口边界和出口边界距离分别为10D和20D，与上下边界的距离均为10D。流体域网格采用正六面体结构化网格，其总网格数为3.05×106，网格质量达0.8，流场计算设置收敛精度为。

2.2 仿真结果与分析

本文选取流速条件为5m/s、10m/s、15m/s和20m/s等四个流速工况，用于探索入口流速变化对力作用位置和涡脱落频率的影响规律。

2.2.1 流体力分析

本文沿顺时针方向选取流体力监测面，重点探索不同来流条件下流体力沿管壳周向不同角度的分布情况。模拟结果和式(3)计算得到的不同流速条件下的流体力，结果表明：不同流速下流体力随圆周角度近似呈余弦规律变化，随着流速的增加，不同圆周测面上流体力均增大；管壳结构在迎流面承受最大冲击力，在背流面出现最大涡激力，流体力在平行来流的界面上最小。

2.2.2 涡脱落频率

根据计算得到的不同流速下的涡脱落频率以及Strouhal数如下：

流速为1m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s时，脱落频率分别为对应2.15Hz、13.562Hz、26.341Hz、39.495Hz、52.634Hz，Strouhal分别对应为0.215、0.271、0.263、0.263、0.263。

不难看出，在流速为1m/s的条件下，本文计算结果吻合良好，说明本文模型及计算结果是准确有效的。其次，涡脱落频率随流速的增加而增大，且本文计算得到的Strouhal数始终落在Blevins给出的置信区间范围内。

2.2.3 涡脱落位置

脉动时均压力系数可以近似预测分离点。不同流速下压力系数随圆周角度的变化规律如图1所示。对比流速为1m/s(Re=3900)时本文模拟变化曲线与实验数据拟合曲线可见，本文方法模拟结果与实测值吻合良好，但在压力系数最小值上存在误差，即模拟得到的分离点相比实验结果存在滞后现象(模拟分离点在θ=73°左右，实验分离点在70°左右)，这是由边界层效应不同造成的。

由不同来流条件下压力系数的变化规律可见，压力系数值均在迎流面(θ=0°)最大，沿顺时针周向逐渐减小，在分离点左右处达到最小值；其后压力系数略有提升，并稳定在附近小幅度波动。其次，压力系数最小值随流速的增大而增大，且分离点随流速的增大而略向后移动。

图 1 压力系数分布图

3  结论

本文建立管壳绕流数值分析模型，通过数值模拟实现不同来流条件下壳面力源识别和涡脱落位置、脱落频率影响研究，结果表明：

1）圆周0~180°测面处流体力随来流速度的增大而增大，且随测面角度近似呈余弦规律变化；流体力关于x-y面近似对称，在迎流面承受最大冲击力，在背流面出现最大涡激力。

2）不同流速下，涡脱落频率随流速的增大而增大，且本文计算结果与文献结果吻合良好。

3）模拟分离点相比实验点存在滞后现象(滞后3°左右)，且分离点随流速的增大而略向后移动。

综上，本文基于数值模拟方法，谈论了不同流速条件下，壳体结构表面的流体力分布规律、绕流涡脱落频率和脱落位置。但进一步需要研究流体力作用下壳体结构涡激振动特性和不同流速工况下壳体响应特性等。

参考文献:

[1]牛忠华,沈丽莲.高压加热器管束振动机理简析[J].电站辅机,2011,32(1):5.

[2]徐学波,刘晓亮,崔铭伟.满管流动悬跨管道涡激振动动态响应研究[J].科学技术创新,2021(30):3.

[3]刘慧,李伟,朱国栋,崔铭伟.气液两相流动悬跨管道涡激振动动态响应研究[J].山东化工, 2022,51(03):46-49.

[4]蒋昌波,徐进,屈科.双自由度子母管线涡激振动数值研究[J].哈尔滨工程大学学报, 2021, 42(05):729-737.

[5]张旭.流体诱导管束振动研究[D].天津大学,2016.

作者简介：刘铮，(1995-)，男，助理工程师，从事发电厂汽轮机运行工作。