目录 前 ············.·音备春·。·.··.···。.·。。..·.。。。... 主要符号表… ···音·自·非音音·. (v) 第一章绪论 ……………………(1) 第一节概述………………………………………… 第二节流体在换热器内的流动(I)-—横掠圆柱………………(3) 第三节流体在换热器内的流动(Ⅱ)——横掠管束… (10) 第二章流体诱发振动的基本机理 鲁,d自, 第一节漩涡脱落诱发振动 …∷…(17) 第二节紊流抖振……… ……………………………(39) 第三节流体弹性激振 ·····,看音·, (42) 第四节声共鸣… …(62) 第五节脉动流诱发的振动………………………………………(69) 第三章传热元件的固有频率 74) 第一节基本概念 ……………………………(74) 第二节直管的固有频率… (74) 第三节U型管的固有频率 ……………(83) 第四节管束中管子固有频率的耦联 ………(87) 第四章系统的有效质量与阻尼… 新·音音···中非,.. 93) 第一节有效质量 ……………………………(93) 第二节系统的阻尼… (97) 第三节阻尼的测量 (105) 第五章振动的受力分析与破坏 …(110) 第一节 Thorngren破坏数…… ……(110) 第二节振动破坏的受力分析及临界流速……………(13) 第三节振动疲劳 ……………………(121)
第四节累积损伤理论……………………………………………(124) 第五节振动磨损………………… (128) 第六章振动的防止与有效利用…… (130) 第一节概述………………………………………………………(130) 第二节防止振动的措施 (131) 第三节流体诱发振动强化传热 ……………(134) 附录机械振动基础 ……………(136) 参考文献 ………………………(147) 11
第一章绪论 第一节概述 换热器运行过程中,由于换热介质的流动而引起传热元件的 振动,称之为换热器内流体诱发振动。这种振动会引起换热器的额 外压力损失、噪声和传热元件的破坏.本世纪60年代以来,随着换 热器容量的不断增加,有关振动破坏的事例逐渐增多,目前已引 起世界各国的普遍重视 随着流体的流动,换热器内的传热元件总会产生一些微小的 振动,这并不导致损坏.只有当流体诱发振动的频率与传热元件的 固有频率一致或相当接近时,传热元件的振幅激增,才致其破坏 通常,传热管是换热器中挠性最大的部件,对振动也最敏感.因 此,大多数振动破坏的报道都是传热管的机械损坏.一般说来,主 要的破坏情况有 (1)撞击破坏:当管子振动的振幅大到足以使相邻管子互相 撞击,或边缘管不断击打壳体,在管子的撞击部将产生特有的菱形 磨损形式,管壁不断减薄而至最后开裂 (2)挡板损伤:为了便于安装,一般挡板开孔较管子直径略大 些·当挡板较薄时,管子振动会在管壁与挡板孔边缘之间产生较 高的接触力,对管子有一种锯割作用,短时间内即可使管壁开裂 (3)接头泄漏:管子振动使管子与管板连接处受力较大,从而 导致胀接或焊接点的损坏,造成泄漏. (4)应力疲劳:管子振动的振幅较大时,管子反复弯折的扭弯 应力较高,长时间的连续振动会使管子断裂.这种损伤还会由于 腐蚀作用而加速 (5)冶金失效:振动使传热管上产生交变应力,导致附在管上
的氧化层脱落,管子表面留下坑点.这些坑点使应力集中,缩短了 管子寿命 (6)材料缺陷扩展:振动所引起的应力脉动会使管材中的微 观缺陷扩展,以致产生大裂纹,最终使管子受到破坏. 引起振动的原因大致可以归纳为: (1)漩涡脱落:流体横掠传热管时,其尾部漩涡在流动雷诺数 大到一定程度后便在管子两侧周期性交替脱落,产生周期性的升 力和阻力,导致管子振动 (2)紊流抖振: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时,管子吸收 能量并产生振动 挡板损伤 相邻管碰撞 管板松动 图1.1传热管破坏情况及位置 (3)流体弹性激振:当管束中任何一根管子在其原始位置上 发生瞬时位移,都会改变周围的流场,破坏相邻管上力的平衡,使 之产生位移而处于振动状态.当流体速度大到某一程度,流体弹性 力对管束所做的功大于管子系统阻尼作用消耗的功,管子的响应 振动振幅将迅速增大 (4)声共鸣:气体流过换热器管束时,可能会产生一个既垂 直于管子又垂直于流动方向的驻波,并在换热器内壁之间穿过管
束来回反射.同时,流体横掠管束时,在管子后面形成漩涡分离 驻波在来回反射的过程中,漩涡分离的能量不断输入.当驻波的频 率与漩涡分离的频率相耦合时,便会引起振动和强烈的噪声. 由以上引起流体诱发振动的原因可以看出,管子在不连续频 率上振动,主要取决于管子系统的固有频率、系统阻尼及流动特 性 第二节流体在换热器内的流动(Ⅰ)——一横掠圆柱 流体横掠圆柱时,在圆柱的迎流面上形成附面层.附面层的厚 度随流动方向逐渐增加.在小雷诺数下,圆柱被流过的液流平滑地 包围起来,附面层只是在圆柱的尾点才离开圆柱壁面.随着雷诺数 的增长,惯性力的作用越来越明显,边界层在圆柱中间即脱离壁面 并在尾部形成漩涡·以雷诺数Re作特征值,可以划分岀流体横掠 园柱时的几个典型工况(参见图1.2): 当Re40), 尾流开始变得不稳定,漩涡亦开始脱离圆柱表面.开始时一个漩涡 脱离,造成尾流中压力不对称,则引起第二个漩涡脱离,形成交替 的漩涡脱落 当Re=150时,在圆柱的尾流中发生了不规则的周期性扰 动,这一现象一直持续到Re=300.在Re的这一范围内,漩涡形成 的区域向紊流流动过渡.此后,尾流就变成完全紊流了 Re=3×10°之后,漩涡脱落的规律被破坏,尾流变窄,而且非 常凌乱.直到Re≥3.5×10°时,尾流中又开始存在完全确定的漩 涡脱落频率,紊流涡道得以重建 摩擦力、流体速度与压力的变化造成了附面层的脱离.在圆柱 3
Re<5:无分离流动的阶段 5-15≤Re<40:尾流中一对稳定漩涡 40≤Re<90和90≤Re<150: 涡道呈层流的两个阶段 150≤Re<300:漩涡内部向紊流的过渡阶段 O300≤Re<3×103:涡道全部成为素流 3×105<Re<3.5×106 层状附面层经历了紊流转变, 尾流变窄,而且变得凌乱 35×106≤Re:紊流涡道的重建 图1.2圆柱体尾流的各个发展阶段 迎流面部分的附面层内,流体微团的压力能转化成动能,而在尾部 其转化则相反流体中压力和速度的变化服从伯努利方程: +=常数 (1.1) 在流过圆柱的迎流面部分时,流体中的压力下降,沿流动方向 速度增加,附面层内的流体微团尽管受到摩擦力作用,但仍被外部 t-M.u-H
流体所吸引,继续向前流动.在圆柱的尾部,流体中压力增大,沿流 动方向速度下降.附面层内的流体微团由于摩擦失去能量,其动能 不足以克服增长的压力,于是微团的运动逐渐缓慢,以致产生停顿 并向相反方向运动.相向运动的流体微团互相推挤,卷起漩涡,并 造成附面层脱离.脱离点处有 0 同时 0 式中,是动力粘度 =0 dP ax->0 图1.3曲面上的速度分布 1——流线,2—零速度线,3—回流,S—脱离点 附面层内速度分布与压力梯度的关系可由下式表示: euL (1.4) 式中,v为运动粘度 由于壁面上y=0,u=”=0,因此我们有 (1.5) p at 分析式(1.2)至(1.5),不难发现纵向压力梯度与剪切力之间 的关系: 1.6
由此可见,切应力的特性取决于圆柱面上压力梯度的变化 当横掠圆柱的流体为理想流体时,不产生附面层,柱面的流速 分布为 U osin 1+ (1.7) 式中,U0为来流速度,7,7分别为圆柱的外半径及自其轴线到所 讨论点的距离.流体速度随着与柱表面距离的增加而逐渐减小,柱 表面上流速最大,为 U=2U osin ap 根据上式,切向速度U在前驻点处(=0)最小,等于零.随着 y的增加,流体被加速,在中间截面处(φ=90°),速度增加了一倍, 为最大将式(1.8)代入式(1.1)中,可得表示流体速度与压力分布 系数之间的函数关系: P P-P 1- sin ap (1.9) 式中,P为压力分布系数,P0是来流中压力.不难看出,压力分布系 数的最大值是在前驻点及尾部处,而最小值则在中间截面处 实际流体横掠圆柱时的压力分布和理想流体在圆柱的迎流面 差别尚不大,但在尾流区则完全不同了(见图1.4) 3 l80 240 300 图1.4圆柱表面上的压力分布 1—势流,理论曲线;2—空气,Re=8×104;3—水,Re=2×105 流体横掠园柱产生绕流的工况下,在柱体迎面部分,由于流体 加速,压力分布系数减小到大约相应于势流情况下的值,一般不会
超过-3在这一区域内,来流的雷诺数Re和紊流数Tl对压力分 布系数P的影响不大,仅在雷诺数很大的空气流中例外(见图 Re,= 10 中 15% 图1.5紊流度对空气流中圆柱表面压力分布系数的影响 在其余柱体表面上,压力分布系数受Re和Tu的影响较大, 但Tv对水流的影响要比空气流微弱得多(见图1.6和图1.7) 圆柱周界上的切应力r用无因次形式 2tu人Re (1.10) 表示,由图1.5和1.6可以看出,在前驻点上,z=0,随着y值的增 加,值不断增加.一般在近流面区域达到最高值.之后则不断降 低,尾部区域变化不大 紊流度对切应力的影响主要在柱体表面的中间区域.在圆柱 的背流面区域,来流紊流度的变化与切应力关系不大,因为此处流 体本身的紊流度已经很高,对较小的附加扰动并不敏感.而在前驻 点附近区域,切应力也几乎与紊流度无关
0.5% Rer=4.2×04 0.5% 1.0 7,0% 2.0 160g 图1.6空气流中圆柱表面上的压力分布系数和切应力 (虚线为理论值) 流体横掠圆柱的阻力等于作用于所讨论物体表面的摩擦力和 压差的合力,总阻力系数可表示为 Cp=C+ Ct 式中 PU2 C/为摩擦阻力系数;
