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随着能源问题的日趋严重,现代工业中对能源利用率的要求在不断提高,提高管壳式换热设备的传热效率是大势所趋。为了提高管壳式换热器的传热效率,流体的流速越来越高,管壳式换热器因为流体诱导振动而遭致振动损坏的现象频繁发生。然而,由于流体诱导振动问题的复杂性和相关计算方法的不成熟性,对于管壳式换热器换热管的振动研究仍然不足,管束的振动破坏仍无法避免。 本文针对于管壳式换热器管束的振动问题,就其固有频率及固定圆管绕流方面进行了探讨。以某工厂在役冷凝器作为研究对象,从以下几个方面对此管壳式冷凝器管束的振动进行了动态特性研究,主要研究内容及结论如下: (1)鉴于该管壳式冷凝器的结构特征,分别采用GB151-1999和TEMA设计标准,计算该冷凝器管束的固有频率。计算结果表明,两种设计标准的计算结果一致,固有频率分别为97.68Hz和94.32Hz。 (2)由于该管壳式冷凝器的结构型式与GB151的规定并不完全吻合,因此借助大型有限元软件ANSYS建立了整体管束的简化模型(包括管板、折流板和换热管),对该管束进行了模态分析,该冷凝器管束的固有频率为99.95Hz。 (3)利用ANSYS分别建立了单根换热管、三根换热管和九根换热管的模态分析模型,获得了其固有频率,讨论了换热管数量对管束固有频率的影响,并对单根换热管模型进行了谐响应分析,讨论了谐响应对换热管振动的影响。 (4)基于Workbench平台,利用流固耦合的方法来对该管壳式冷凝器的管束进行模态分析。建立了一个单管简化模型,利用流固耦合的方法来做模态分析,研究了流体作用力与流体质量对换热管固有频率的影响特性。 (5)利用计算流体动力学软件ANSYS/FLOTRAN CFD研究了粘性不可压缩流体的圆管绕流问题,分别选用了单管、双管和三管模型进行了研究;同时针对单管模型,将二维和三维的研究结果进行了比较分析,讨论了漩涡脱落频率的影响因素。 研究表明,按照GB151估算该管壳式冷凝器的固有频率是可行的。研究成果有助于理解管壳式换热器管束的动力学特性,对换热器的流固耦合振动分析及换热器的防振设计具有指导意义。