管壳式换热器的振动特性分析及模态试验

1　流体诱导振动机理
管壳式换热器内流体的运动十分复杂:有管束上的 横向流、轴向流、旁通流等;管束两端的进出口有滞留区。 各流路流体的流速和方向不断的发生不规则的变化,使 传热管处在不均匀的力场中,受到流体流动的各种激发 力的作用,极易产生振动。当诱导振动的频率与换热器的固有频率接近时,换热器就会产生强烈的振动。
流体横掠换热管时,如果流动雷诺数大到一定程度,就会在管子背面两侧产生周期性交替脱落的反对称漩涡尾流,即卡曼涡街。漩涡的交替产生和脱落使管子 两侧产生垂直于流向的周期性激振力,导致管子发生振 动[4],其振动频率等于漩涡脱落频率。当管径一定时, 流速越大,流体诱导振动频率也越大。当漩涡脱落频率接近或等于管子固有频率时,就会产生强烈的振动。
紊流中脉动变化的压力和速度场不断供给管子能量,当紊流脉动的主频率与管子的固有频率相近或相等时,管子吸收能量并产生振动[5]。通常认为,当管 子间距较大时,卡曼漩涡的影响是主要的;当管子间距较小时,由于没有足够的空间产生漩涡分离,紊流的影响是主要的。当管子间距与管径之比小于1. 5时,漩 涡分离一般不会引起管子大振幅的振动。
当流体横向流过管束时,由于流动状态的复杂性, 可能使管束中某一根管子偏离原来的静止位置,发生瞬时位移,这会改变其周围的流场,从而破坏相邻管子上 的力平衡,使之产生位移而处于振动状态。当流体速度大到某一程度时,流体弹性力对管束所做的功大于管子阻尼作用所消耗的功,管子的响应振动振幅将迅速增大,直到管子间相互碰撞而造成破坏。研究表明,流体速度较低时,振动可能由漩涡脱落或紊流抖振引起,而在速度较高区域,诱发振动机理主要是流体激振[6]。