換熱器管束國(guó)內(nèi)外研究概況

黨鵬飛

摘 要：蒸汽發(fā)生器是核工業(yè)壓水堆中使用非常廣泛，它是一種熱交換設(shè)備。正因如此，它能否安全平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)日常生產(chǎn)起著極為關(guān)鍵的作用，但是近年來(lái)由于振動(dòng)使得發(fā)生器失效的情況越來(lái)越多。這方面的原因主要有兩個(gè)：一是管束都逐步采用高強(qiáng)度材料，但是材料本身越來(lái)越輕薄，剛度越來(lái)越小;二是橫掠管束的流速越來(lái)越大，造成管束振動(dòng)的振幅也越來(lái)越大。正因如此，這個(gè)問(wèn)題也引起來(lái)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的高度重視，越來(lái)越多的人也在從事這方面的研究工作。

關(guān)鍵詞：漩渦脫落;升力系數(shù);斯特魯哈數(shù);流體彈性不穩(wěn)定性

Abstract：The steam generator is very widely used in the pressurized water reactor of the nuclear industry， it is a heat exchange device. Because of this， whether it can be safe and smooth in the daily operation plays a crucial role， but in recent years more and more generator failed due to vibration. The reasons for this are mainly two aspect： First， the tubes are gradually made of high strength material， but the material itself become thinner，which stiffness become smaller in the same time; the flow rate is increasing， resulting in a growing vibration amplitude in tubes. For this reason， this issue also attracted to the high degree of attention of experts and scholars at home and abroad， more and more people are engaged in research in this area.

Keywords：Vortex Shedding;Lift coefficient;Strouha number;Fluidelatic Instability

對(duì)于換熱器由于外部流體作用而誘發(fā)振動(dòng)的研究很早就開(kāi)展了，最早期的文獻(xiàn)距離現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)去了近半個(gè)世紀(jì)，經(jīng)過(guò)很多專(zhuān)家學(xué)者的努力，已經(jīng)積累了很多具有發(fā)展?jié)摿Φ难芯砍晒?，而且在很多文獻(xiàn)里都提供了一些見(jiàn)解和解決這類(lèi)問(wèn)題的方法[1-2]。目前學(xué)界公認(rèn)的計(jì)算模型主要包括估算分析模型、著重描述結(jié)構(gòu)的模型、試驗(yàn)半解析和單純實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退姆N。Paidoussis最先對(duì)這方面開(kāi)展了研究，而Price，Weaver則是通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)和假定進(jìn)行了總結(jié)論證[3-5]。此外，S.S.Chen，還出了一系列專(zhuān)著，并且首次提出了管束間距和斯特魯哈數(shù)之間的關(guān)系[6]。Katinas[7]則更加進(jìn)行了較為深入的研究，并得出了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

在這個(gè)領(lǐng)域里，Connors率先對(duì)于流體彈性激振進(jìn)行深入研究。上個(gè)世紀(jì)70年代他首先做了風(fēng)洞試驗(yàn)，并觀察在實(shí)驗(yàn)中物體的振動(dòng)情況。后來(lái)他又提出了擬靜態(tài)流模型，這個(gè)模型正是利用流體剛度對(duì)其控制的機(jī)理。它是根據(jù)能量平衡分析原理，通過(guò)分析對(duì)比速度V0/fd與質(zhì)量阻尼參數(shù)mδ/ρd2之間的關(guān)系來(lái)確定單排管束產(chǎn)生流體彈性不穩(wěn)定性的臨界流速，這就是很出名的Connors公式[8]。1977年Blevins[9]對(duì)此模型進(jìn)行了進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。他首次將此模型用于多排管束的彈性激振上，并繪制出了理論和實(shí)驗(yàn)曲線。但是嚴(yán)格地講，它并不能作為一個(gè)純正的解析解，只能作為兩者數(shù)據(jù)的一些結(jié)合而已。

其實(shí)換熱器中流體誘發(fā)振動(dòng)的理論研究了這么多年，也涌現(xiàn)出了一批在這個(gè)領(lǐng)域頗有建樹(shù)的學(xué)者，Chen[10-11]就是這些人當(dāng)中非常杰出的一位。他于1983年提出過(guò)描寫(xiě)橫向流作用下管束不產(chǎn)生不穩(wěn)定性的普遍原理，并且指出這么多種不穩(wěn)定性現(xiàn)象很難通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的模型來(lái)確定，而要具體情況具體分析。所以如果想要去搞清楚不同邊界載荷條件下的流彈不穩(wěn)定機(jī)理我們就需要去建立很多種不同的模型。雖然他的這一句話只是一個(gè)很簡(jiǎn)單的概括，但是言簡(jiǎn)意賅，從更深刻方面提醒了我們流場(chǎng)中影響因素之多，情況之復(fù)雜，需要更加用一個(gè)客觀的心態(tài)去進(jìn)行研究理解。Cai等人通過(guò)利用非穩(wěn)態(tài)流體狀態(tài)下的理論研究了在非恒定流作用下較為松弛的彈性支撐管束的彈性不穩(wěn)定性，他們于90年代初開(kāi)展這項(xiàng)工作，但不久之后他們就發(fā)現(xiàn)對(duì)于這種較為松弛的管束的不穩(wěn)定性分析，很容易受到靜態(tài)管束模型的牽制，所以更應(yīng)該采用較為符合實(shí)際情況的動(dòng)態(tài)管束模型來(lái)參與研究不穩(wěn)定機(jī)理[12]。后來(lái)到了90年代末，Cai又和Chen[13]開(kāi)展合作對(duì)于之前的理論進(jìn)行了一定程度上的擴(kuò)展，還對(duì)于橫向單相流作用下采用非線性支撐的圓柱管束由于流體彈性不穩(wěn)定性所引起的振動(dòng)，并且通過(guò)進(jìn)行多種類(lèi)型的分析證明這種振動(dòng)可能因模型的復(fù)雜性不同而產(chǎn)生很多種不相同結(jié)論的情況，研究結(jié)果也確實(shí)表明了對(duì)于多根管束振動(dòng)的多維自由度系統(tǒng)并不能簡(jiǎn)單的用單自由度或雙自由度模型來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單模擬簡(jiǎn)化，并且提出一定要從根本上對(duì)于以前的研究方向進(jìn)行革新，探索出一些新的路子。真正地突破應(yīng)該出現(xiàn)在1996年，Eisinger[14]等人利用當(dāng)時(shí)現(xiàn)有的非恒定流的流體理論建立了一種數(shù)學(xué)模型，它們利用這個(gè)模型來(lái)替代一根具有代表性的圓柱管束，模擬這根管束在流體中的彈性振動(dòng)，并且用ABAQUS-EPGEN有限元代碼編寫(xiě)程序計(jì)算出了作用在管束表面的流體彈性力，其結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。在后來(lái)，隨著對(duì)流彈失穩(wěn)的研究越來(lái)越深入，實(shí)驗(yàn)條件也是日新月異。在這個(gè)時(shí)期，由Granger和Paidoussis在研究橫流誘發(fā)的管束振動(dòng)中根據(jù)平衡態(tài)的轉(zhuǎn)換提出了準(zhǔn)靜態(tài)理論，而這正是基于流體的連續(xù)性的納威--斯托克斯方程即Navier-Stokes，并研究了橫向流作用下圓柱管陣相關(guān)的位移、速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過(guò)搜集相關(guān)數(shù)據(jù)其結(jié)果顯示與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，這個(gè)模型更加符合實(shí)際情況并可以更為詳細(xì)、科學(xué)地解釋流體的彈性不穩(wěn)定性機(jī)理[15]。Kassera和Strohmeier也研究了流體誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理，并發(fā)明了一個(gè)新的解析模型[16]，利用單元法來(lái)計(jì)算了很多復(fù)雜的流場(chǎng)方程，這其中就包括了湍流，不過(guò)他們認(rèn)為管束的約束是彈性的。Yetisir[17]在1998年，提出了確定管束磨損的新的準(zhǔn)則。當(dāng)然了這個(gè)準(zhǔn)則是建立在一系列參數(shù)之上的，這些參數(shù)包括：振動(dòng)頻率、中跨振幅、跨長(zhǎng)、管束質(zhì)量和磨損經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。他認(rèn)為激振的產(chǎn)生幾乎全部來(lái)自于流體的湍流，他從本質(zhì)上忽略掉了流體彈性力。1999年，F(xiàn)ischer和Strohmeier設(shè)計(jì)了一個(gè)模型，他們用這個(gè)模型來(lái)考察橫流下管束之間的穩(wěn)定性，采取了一個(gè)隨時(shí)間變化的一系列參數(shù)，并創(chuàng)造性地將梁本構(gòu)理論和摩擦系數(shù)之間的關(guān)系運(yùn)動(dòng)到其中，發(fā)現(xiàn)了響應(yīng)結(jié)果幾乎與橫流中作用的兩端固定的管束結(jié)果相像。但是，在這個(gè)模型當(dāng)中，他們忽略了管子的排布方式和距離的影響，就好像我們現(xiàn)在在研究室，還要考慮管子布置陣型上的變化一樣。

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