CN103512717A - 大型低温蒸发器在两相流作用下的管束振动预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型低温蒸发器在两相流作用下的管束振动预测方法，通过计算简支边界条件的换热管的最大振幅，并根据最大振幅的大小预测“是否会发生周期性脱落旋涡引起的管束振动”；同时通过计算换热管第一振型振动振幅，并根据振动振幅的大小预测“是否会发生紊流激振振动引起的管束振动”；还通过计算临界横流速度，并根据两相流体在管间隙中的流速与临界横流速度的大小，预测“是否会发生流体弹性不稳定性引起的管束振动”。本发明方法可用于管壳式换热器如冷凝器、蒸发器、原子能蒸发器等在两相流操作下的设备管束的振动分析计算。

Description

大型低温蒸发器在两相流作用下的管束振动预测方法

技术领域

本发明涉及一种大型低温蒸发器在两相流作用下的管束振动预测方法。

背景技术

现有的针对大型低温蒸发器管束振动分析研究存在下列问题：

（1）大型低温蒸发器的直径超出了我国GB151和美国TEMA标准适用的范围；

（2）低温蒸发器壳程在两相流体状态下操作；

（3）现行标准中的振动分析方法均针对单相流运行工况；

因此，在现有技术中还没有针对管壳式换热器（如冷凝器、蒸发器、原子能蒸发器等）在两相流操作下的设备管束的是否会发生振动的判定方法；也没有一套完整可行的可用于管壳式换热器管束在两相流作用下是否发生振动的判定方法。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种大型低温蒸发器在两相流作用下的管束振动预测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大型低温蒸发器在两相流作用下的管束振动预测方法，包括如下步骤：。

步骤一、计算简支边界条件的换热管的最大振幅：

步骤二、判断换热管的最大振幅是否小于等于0.02倍换热管直径：

若否，则给出“会发生周期性脱落旋涡引起的管束振动”的预测结论，结束预测；

若是，则给出“不会发生周期性脱落旋涡引起的管束振动”的预测结论，进入步骤三；

步骤三、计算换热管第一振型振动振幅；

步骤四、判断换热管第一振型振动振幅否小于等于0.02倍换热管直径：

若否，则给出“会发生紊流激振振动引起的管束振动”的预测结论，结束预测；

若是，则给出“不会发生紊流激振振动引起的管束振动”的预测结论，进入步骤五；

步骤五、计算临界横流速度Vc；

步骤六、判断两相流体在管间隙中的流速是否小于临界横流速度：

若否，则给出“会发生流体弹性不稳定性引起的管束振动”的预测结论，结束预测；

若是，则给出“不会发生流体弹性不稳定性引起的管束振动”的预测结论，结束预测。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：通过计算简支边界条件的换热管的最大振幅，并根据最大振幅的大小预测“是否会发生周期性脱落旋涡引起的管束振动”；同时通过计算换热管第一振型振动振幅，并根据振动振幅的大小预测“是否会发生紊流激振振动引起的管束振动”；还通过计算临界横流速度，并根据两相流体在管间隙中的流速与临界横流速度的大小，预测“是否会发生流体弹性不稳定性引起的管束振动”。本发明方法可用于管壳式换热器如冷凝器、蒸发器、原子能蒸发器等在两相流操作下的设备管束的振动分析计算。

具体实施方式

一种大型低温蒸发器在两相流作用下的管束振动预测方法，包括如下步骤：

步骤一、计算简支边界条件的换热管的最大振幅Y(L2)：

（1）按如下公式计算旋涡脱落频率：

$f_s={\mathrm{St}}_{\mathrm{TP}}\frac{V_G}{d}$

式中：

St_TP为两相流中的斯特罗哈数；

d为换热管直径；

V_G为两相流体在管间隙中的流速，单位ms，按如下公式计算：V_G=V_TPP(P-d)，式中，V_TP为两相流体的平均速度；P为管间距。

（2）按如下公式计算简支边界条件换热管的最大振幅：

$(L/2)=\frac{C_L{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{TP}}d{V}_G^2}{4{\mathrm{\π}}^3{\mathrm{\ζ}}_1{f}_1^{2}m}$

式中，

C_L为脉动升力系数；

ρ_TP为两相流体的平均密度；

ζ₁为换热管第一阶振型总阻尼比；

f₁为换热管第一阶固有频率；

m为单位换热管长的质量。

步骤二、判断换热管的最大振幅是否小于等于0.02d：

若否，则给出“会发生周期性脱落旋涡引起的管束振动”的预测结论，结束预测；

若是，则给出“不会发生周期性脱落旋涡引起的管束振动”的预测结论，进入步骤三；

步骤三、按如下公式计算换热管第一振型振动振幅

$\stackrel{\‾}{y^2\left(x\right)}=\frac{C_1{S}_F\left(x\right)}{16{\mathrm{\π}}^3{\mathrm{\ζ}}_1{f}_1^{3}m}$

式中：

C₁为系数，对于处于固定-简支条件下的换热管（管长为L），最大振幅发生在0.581L处，对应的系数C₁为0.4213；

S_F(x)为激振力的功率谱密度，(Nm)²·S；

步骤四、判断换热管第一振型振动振幅

否小于等于0.02d：

若否，则给出“会发生紊流激振振动引起的管束振动”的预测结论，结束预测；

若是，则给出“不会发生紊流激振振动引起的管束振动”的预测结论，进入步骤五；

步骤五、按如下公式计算临界横流速度V_c：

$\frac{V_c}{\mathrm{fd}}=K\left(\frac{2\mathrm{\π\ζm}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{TP}}{d}^2}\right),$

式中：

K为不稳定常数；

f为两相流中换热管的固有频率；

ζ为换热管总阻尼比；

步骤六、判断两相流体在管间隙中的流速V_G是否小于临界横流速度V_c：

若否，则给出“会发生流体弹性不稳定性引起的管束振动”的预测结论，结束预测；

若是，则给出“不会发生流体弹性不稳定性引起的管束振动”的预测结论，结束预测。

Claims (4)

1.一种大型低温蒸发器在两相流作用下的管束振动预测方法，其特征在于：包括如下步骤：。

步骤一、计算简支边界条件的换热管的最大振幅：

步骤二、判断换热管的最大振幅是否小于等于0.02倍换热管直径：

若否，则给出“会发生周期性脱落旋涡引起的管束振动”的预测结论，结束预测；

若是，则给出“不会发生周期性脱落旋涡引起的管束振动”的预测结论，进入步骤三；

步骤三、计算换热管第一振型振动振幅；

步骤四、判断换热管第一振型振动振幅否小于等于0.02倍换热管直径：

若否，则给出“会发生紊流激振振动引起的管束振动”的预测结论，结束预测；

若是，则给出“不会发生紊流激振振动引起的管束振动”的预测结论，进入步骤五；

步骤五、计算临界横流速度Vc；

步骤六、判断两相流体在管间隙中的流速是否小于临界横流速度：

若否，则给出“会发生流体弹性不稳定性引起的管束振动”的预测结论，结束预测；

若是，则给出“不会发生流体弹性不稳定性引起的管束振动”的预测结论，结束预测。

2.根据权利要求1所述的大型低温蒸发器在两相流作用下的管束振动预测方法，其特征在于：步骤一所述的计算简支边界条件的换热管的最大振幅的方法如下：

（1）按如下公式计算旋涡脱落频率：

$f_s=S{t}_{\mathrm{TP}}\frac{V_G}{d}$

式中：

St_TP为两相流中的斯特罗哈数；

d为换热管直径；

V_G为两相流体在管间隙中的流速，单位ms，按如下公式计算：V_G=V_TPP(P-d)，式中，V_TP为两相流体的平均速度；P为管间距；

（2）按如下公式计算简支边界条件换热管的最大振幅：

$Y(L/2)=\frac{C_L{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{TP}}d{V}_G^2}{4{\mathrm{\π}}^3{\mathrm{\ζ}}_1{f}_1^{2}m}$

式中，

C_L为脉动升力系数；

ρ_TP为两相流体的平均密度；

ζ₁为换热管第一阶振型总阻尼比；

f₁为换热管第一阶固有频率；

m为单位换热管长的质量。

3.根据权利要求1所述的大型低温蒸发器在两相流作用下的管束振动预测方法，其特征在于：计算换热管第一振型振动振幅的方法为：

$\stackrel{\‾}{y^2\left(x\right)}=\frac{C_1{S}_F\left(x\right)}{16{\mathrm{\π}}^3{\mathrm{\ζ}}_1{f}_1^{3}m}$

式中：

C₁取0.4213；

S_F(x)为激振力的功率谱密度；

ζ₁为换热管第一阶振型总阻尼比；

f₁为换热管第一阶固有频率；

m为单位换热管长的质量。

4.根据权利要求1所述的大型低温蒸发器在两相流作用下的管束振动预测方法，其特征在于：计算临界横流速度的方法为：

$\frac{V_c}{\mathrm{fd}}=K\left(\frac{2\mathrm{\π\ζm}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{TP}}{d}^2}\right),$

式中：

K为不稳定常数；

f为两相流中换热管的固有频率；

ζ为换热管总阻尼比；

ρ_TP为两相流体的平均密度；

m为单位换热管长的质量；

d为换热管直径。