卡曼漩涡

卡曼漩涡对换热器的影响

摘

要

对管壳式换热器管束常见的振动破坏形式进行了归纳

,

对管束振动的

机理进行了分析

,

并提出了相应的防振措施

关键词

管壳式换热器

管束

振动

防振措施

管壳式换热器广泛用于化工 、

炼油、

热能动力等工业行业

,

是一种通用性的过

程设备

[ 1 ]

。为了提高换热性能

,

应尽可能地提高流速

,

而流速越高就越容易诱发管

束的振动

[ 2 ]

。据不完全统计

,

因流体诱导振动引发换热器局部失效甚至整体报废

的换热器几乎占损坏的

30%

。

需要在设计中采取必要的措施

,

使管子对激励的响应

限制在安全范围以内

,

即在换热器的设计寿命期内避免发生由振动引起的破坏。

由于卡曼涡街现象的存在，在管子背面两侧产生周期性的反对称漩 涡尾流，

尾流的交替产生与脱落产生于流向的激振力，

当脱落的 频率接近换热管的固有频

率时，

将会引起管束机械性的共振现象 ，

使换热器产生较大的机械破坏。

以往在

进行测定卡曼涡街现象数值时，

运用最早的是尾流振荡模型实验来分析漩涡脱落

诱发的振动原因。

但据目前学者研究发现，

尾 流振荡模型在实验过程中，

其范围

受到一定的限制，当雷诺数在 较低的情况下，其理论数值与实验数据相差不大，

基本接近；

但 当雷诺数在较高的情况下进行实验时，

两者数据相差甚大。

经分 析，

当在雷诺数较大工状下进行实验时，

流经换热管后的尾流不 呈二维流动，

而是呈

动态的三维随机流，

是一个随机力函数，

沿整个换热管同时脱落，

尾流流动呈现< /p>

出复杂的随机性质。

尾流作用于换热管上的载荷也随机发生变化。

这就意味着雷

诺数在较高的情况下不能运用尾流振荡模型进行实 验，

否则测定的流体诱导振动

值会有不小的差值产生。

针对两相流诱发管束振动机理的研究，由于其随机产生的复杂性，相关 的研

究目前尚处在初期探索阶段，

Pettigrew

等

[ 3 ]

也只对换热器管束相互之 间的距

离、

换热器管束中的含气率、

换 热器在雷诺数不同情况下的工作状态进行了有限

的研究，

同时对 气液两种不同介质时两相流中串列双圆柱的诱发振动特性机理的

研究，

< br>有助于理解管束中管子之间相互影响机理，

对于进一步研究复杂管束中的

流体诱发振动现象具有重要意义。

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

,