基于双向流固耦合的螺旋折流板换热器流体诱导振动特性研究

张典中，徐建民

（武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430000）

摘  要：研究通过结合双向流固耦合技术和数值模拟方法，对螺旋折流板换热器在流体诱导振动环境下的振动特性进行了深入研究。研究的主要目的是在给定的参数范围内，找出能够使换热器振动最小的运行参数组合。通过正交试验，共进行了9组数据模拟,研究了流体在不同流速和不同管间距下对管束振动的影响。结果显示,在流速为0.2m/s,管间距为30mm的条件下，换热器的流体诱导振动达到最小。

关键词：螺旋折流板换热器;流致振动;双向流固耦合;正交试验;数值模拟

现有很多研究案例都是采用单向流固耦合，只考虑流体流动对模型结构的影响，忽略结构变形对流体流动的反馈作用。这种单向耦合方法虽然可以在一定程度上减少计算成本，但其分析结果在复杂工况下的准确性不高。近年来，双向流固耦合方法逐渐被研究者接受，它能够同时考虑流体流动对模型结构的影响以及结构变形对流体流动的反馈，从而更全面、准确地模拟流体与结构的相互作用。例如，赵崇卫等采用流固耦合分析方法研究了U形管的共振特性，为理解管束振动提供了重要视角。刘明等利用ANSYS软件研究了充满介质换热管的固有频率，揭示了介质对振动特性的影响。刘桂祥等通过建立载流管路的数值分析模型，分析了流速等因素对振动特性的影响。季家东等则关注多排弹性管束在流体诱导下的振动响应，为复杂管束结构的设计提供了理论支持。冯俊等结合流固耦合理论,对不同倾角度热交换器的振动特性进行了模拟及试验研究，为热交换器的安装和运行提供了实用指导。孙雷等运用有限元分析软件，采用流固耦合方法深人研究了换热管共振特性，为避免共振提供了有效方法。缪洪康等依托中国科学院战略性先导科技专项，研究了U型管弯管段的流致振动特性，为熔盐－空气换热器的设计提供了重要参考。钟伟源等基于双向流固耦合方法，研究了核主泵叶轮的力学特性，为核主泵的性能分析和维护提供了有益信息。李岳霖等通过三维数值模拟，研究了双向流固耦合方法在流体作用下换热器管束的振动响应。他们的研究揭示了流致振动的主要影响因素，包括流速、管束排列方式以及流体密度等参数的综合作用。这项研究为换热器的优化设计提供了理论支持，特别是在如何降低振动和提高设备稳定性方面。Abu-Hamdeh等在其研究中详细分析了螺旋双管换热器中螺距变化对传热性能的影响。他们发现螺距的增加能够显著改变流体的二次流动，从而影响流体与管壁之间的相互作用，进而影响传热效率。这一研究为设计高效的换热器提供了新的见解，尤其是在优化结构参数以提升传热性能方面。

尽管现有研究取得了一定进展，但在螺旋折流板换热器中管束的流体诱导振动特性方面，仍存在以下问题呕待解决。针对上述研究空白和不足，本文采用双向流固耦合技术，聚焦于螺旋折流板换热器的流体诱导振动特性，通过系统的数值模拟与分析，得到管束的振动特性的影响规律。

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