基于熱流固耦合的換熱器管束數(shù)值模擬分析.pdf

1、管殼式換熱器由于其結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高以及操作靈活等特點在工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用。換熱管是管殼式換熱器中最為薄弱的部件，溫差引起的熱應(yīng)力以及高速流體引發(fā)的換熱器管束振動都極易造成換熱管的損壞。因此，對實際工作狀態(tài)下的換熱管束進行研究，對提高換熱器壽命以及經(jīng)濟效益都具有重大的實際意義。
　　本文以某管殼式空氣換熱器作為研究對象，采用多物理場耦合的方法，建立該空氣換熱器的有限元模型并進行熱流固耦合分析。通過FLUENT軟件對換熱器管程、

2、殼程內(nèi)流場進行數(shù)值模擬，將得到的流場數(shù)據(jù)通過耦合面?zhèn)鬟f至結(jié)構(gòu)分析中，并作為載荷施加在換熱器模型上，對比不同載荷條件下的換熱管束的應(yīng)力分布。結(jié)果表明，溫差引起的熱應(yīng)力對換熱管束的總應(yīng)力分布影響比較大，而流體壓力載荷對換熱管束的影響很小。
　　根據(jù)換熱器流場模擬的結(jié)果，計算出換熱管所受流體激振力，并作為載荷施加到簡化后的換熱管有限元模型上，模擬出換熱管應(yīng)力分布及變化。結(jié)果表明，旋渦脫落引起的激振力使得殼程入口處的換熱管產(chǎn)生了較大的循環(huán)

3、應(yīng)力，容易引發(fā)換熱管振動，使得換熱管束發(fā)生疲勞破壞。
　　采用動網(wǎng)格技術(shù)和雙向流固耦合的方法對V=30m/s時殼程入口處的流體和換熱管束進行了分析。結(jié)果表明流體以該流速流動時，換熱管束應(yīng)力以及變形都很小，并在很短時間內(nèi)達到平衡，判斷流體彈性不穩(wěn)定不會引起換熱管束的劇烈振動，對換熱管束的影響很小。
　　綜上所述，該空氣換熱器管束失效的主要原因是由溫差引起的熱應(yīng)力，而殼程流體流動誘導(dǎo)換熱管束振動加速了換熱管束的失效，其振動機理是