脉动流技术在管壳式换热器振动分析中的应用

　　０　引　言

　　管壳式换热器是一种广泛应用于石油、化工、机械、电力、食品等行业的工艺设备［１］．随着过程工业生产规模的逐渐扩大，管壳式换热器越来越趋向于大型化，管束无支撑跨度增大，刚性变差，为了提高传热效率，流体流速不断提高，并且新型传热技术［２－３］（如脉动流）的广泛研究，使换热器流体诱导振动问题越来越突出［４］．可见，为了实现脉动流作用下提高换热器的换热效率，并使该设备能正常工作，则对脉动流作用下换热器的振动分析具有重要的意义．

　　下面以脉动流换热器为研究对象进行振动分析，主要从模态振型和动态响应等方面对脉动流和无脉动流两种工况下流固耦合产生的振动问题进行分析［５］．重点计算分析脉动流工况下和传统无脉动流工况下振动问题的区别，对脉动流工况下主动流体扰动对换热器［６］动进行了较详细的分析，其结论为脉动流技术安全推广应用提供了一定有益的参考价值．

　　１　结构动态特性的有限元分析

　　有限元法中动力问题的求解过程与静力问题计算步骤类似，首先应对结构进行离散化，再对对象做单元特性分析，最后对整体作综合分析，得到动力学分析中基于有限元方法的基本方程［７］：

　　［Ｍ］｛ｕ．．｝＋［Ｃ］｛ｕ．｝＋［Ｋ］｛ｕ｝＝｛Ｆ｝ （１）

　　式（１）中，［Ｍ］为质量矩阵；［Ｃ］为阻尼矩阵；［Ｋ］刚度矩阵；｛ｕ｝为位移向量；｛Ｆ｝为载荷向量．

　　当结构系统无外载作用时，对结构需进行模态分析；若结构在简谐载荷作用下，则进行谐响应分析；若结构在一般载荷作用下，则是瞬态动力学分．

　　流固耦合问题的有限元离散方程［８］：

　　式（２）中，［ＭＰ］为流体质量阵；［ＣＰ］为流体阻尼阵；［ＫＰ］为 流 体 刚 度 阵；ρ０［Ｒ］Ｔ＝ρ０∫ｓ｛Ｎ｝｛ｎ｝Ｔ·｛Ｎｌ｝Ｔｄｓ为耦合质量阵；［Ｍｆｓ］＝ρ０Ｒ］为耦合质量阵；［Ｋｆｓ］＝－［Ｒ］为耦合刚度阵．

　　２　模态分析

　　２．１　结构尺寸与工艺参数

　　该换热器筒体长度为１　８００ｍｍ，换热管几何尺寸为２５×０．８ｍｍ，管材杨氏模量为２．１×１０５ＭＰａ，泊松比为０．３，密度为７．８５×１０－９　ｔ／ｍｍ３．其结构图和实验室设备，如图１和图２所示。

　　在换热器管程上加有旁支，并在旁支上装有脉动流激发器，无脉动流条件下，壳程入口速度为１．５ｍ／ｓ，管程入口速度为０．５ｍ／ｓ，模拟条件与实验未加脉动流时条件一致；脉动流条件下，换热管管程入口速度随时间作周期性变化，脉动流函数如式（３）所示，壳程入口速度为１．５ｍ／ｓ，模拟条件与实验加入脉动流时条件一致．