彈性管束換熱器各組件動態(tài)特性研究.pdf

1、面對日益嚴重的能源短缺，開發(fā)新能源、研究提高能源利用效率的理論和方法、研制新型高效節(jié)能換熱設備已經并將繼續(xù)成為研究熱點。本文以國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目“高能耗行業(yè)典型換熱設備節(jié)能的先進理論與方法”(2007CB206900)為背景，結合工程實際和振動控制理論，系統(tǒng)深入地研究了一種新型換熱設備及其組件的動態(tài)特性。建立了復雜激勵兩端簡支薄壁圓柱殼體動力學方程，推導了驅動點導納矩陣公式，可供殼體振動系統(tǒng)子結構導納法描述直接利用；基于梁函數

2、組合法和伽遼金法研究了各種結構參數對曲殼固有特性的影響；運用模態(tài)綜合法和有限元法，著重研究了彈性管束換熱元件本身以及管束與管內外流體互相耦合后的動力學特性。主要研究內容和創(chuàng)造性成果如下： 基于經典薄殼理論，建立了兩端簡支圓柱殼體在復雜激勵下的振動微分方程，運用模態(tài)疊加法求解出殼體結構在穩(wěn)態(tài)簡諧激勵下的響應表達式，推導出殼體在力和力矩共同作用下的驅動點力導納、力矩導納和耦合導納公式，為子結構導納法描述以殼體為基礎的隔振系統(tǒng)提供了可

3、供利用的數學表達形式。研究了殼體幾何參數、物性參數以及激勵作用點位置等對殼體導納的影響，得出了殼體中振動能量的分布與傳輸特性，為采取主被動控制措施達到減振降噪的目的提供了潛在途徑。研究表明：單獨作用力或者力矩時，導納的實部恒正，意味著力或者力矩產生的振動能量輸入結構，殼體為能量接受體；同時作用力和力矩時，耦合導納的實部卻有可能為負，意味著結構對外部力或者力矩產生反作用，振動能量從殼體結構流出。作為與激振頻率有關的結構的柔度，導納值與輸入

4、結構的功率流密切相關。通過增加厚度、減小跨度等手段改變殼體幾何參數，可使低頻段傳遞到結構的能量顯著減少。結構阻尼對抑制共振峰值有明顯效果，卻使振動能量從共振區(qū)向非共振區(qū)分散，需要根據實際酌情選用。合理選擇激勵作用點位置可以避開某些敏感頻率，是柔性結構振動控制值得考慮的一個重要方面。 以應用比較廣泛的Flugge薄壁殼體理論為基礎，推導出曲殼自由振動控制方程，并綜合運用梁函數組合法與加權殘值法予以求解。利用殼體振型的軸向分布接近于

5、相應邊界條件的梁的振型函數這一特性，用軸向梁函數與周向三角函數的組合逼近殼體的振型函數，根據邊界條件假設出合適的位移表達式，代入振動方程并用伽遼金法求解相應的特征方程，得出曲殼的固有頻率和振型等特性。詳細分析了殼體幾何參數、約束條件和附加質量等對曲殼振動特性的影響。結果顯示：邊界條件對曲殼固有頻率影響較大。其它條件相同時，約束越強，頻率越高。與兩端簡支的直圓柱殼體不同，兩端簡支曲殼存在頻率不為零的剛體滑動模態(tài)。與直圓柱殼體比較，薄壁曲殼

6、的振型要復雜的多，拱背和拱腹往往呈現出不同的振動形式。截面半徑與彎曲半徑之比、厚度、彎曲半徑等幾何參數對曲殼固有頻率也有較大影響，但對于不同的約束條件和不同的模態(tài)階次，其影響規(guī)律并不一致。集中質量對曲殼固有頻率有明顯的降低效應，但與作用位置密切相關。根據子結構法“化整為零，積零為整”的基本思想和彈性管束本身的結構特點，把管束劃分為空間曲梁和三維實體(剛體和彈性體)等六個子結構，通過坐標變換，建立起各子結構的模態(tài)坐標模型，然后根據界面協(xié)調

7、條件進行綜合，得到整體結構用模態(tài)坐標表示的自由振動方程，最后數值計算出固有頻率和相應振型，初步解釋了彈性管束實現復合強化傳熱的機理。研究了主模態(tài)數目和約束模態(tài)數目對計算結果的影響規(guī)律。探討了不同設計參數對改變管束固有頻率的作用。研究發(fā)現：彈性管束的振型比較復雜，面外振動和面內振動同時存在，在管束內外流體介質的寬頻激勵下，將發(fā)生小幅持續(xù)振動，從而提高換熱性能和抗結垢能力。只要離散各子結構所取的單元數量足以使其頻率收斂，整個結構的固有頻率將

8、只取決于約束模態(tài)數目與主模態(tài)數目之和。當約束模態(tài)和主模態(tài)各取到第五階的時候，所得固有頻率的精度已經與整體模型相差無幾。在決定彈性管束固有特性的各種設計參數中，管子截面半徑的影響要大于壁厚，而連接體位置的影響則隨模態(tài)階次不同而不同。在模態(tài)分析的基礎上，對彈性管束進行了頻響分析，考察了各階模態(tài)位移對總體響應的貢獻量，為管束優(yōu)化設計提供了參考依據。 考慮流體的可壓縮性，采用位移-壓力格式(即固體、流體分別以位移和壓力作為基本未知量)對

9、彈性管束一流體組成的流固耦合系統(tǒng)進行離散，建立流固耦合系統(tǒng)的有限元分析模型，分別對彈性管束結構本身、管內外流體以及結構-流體耦合系統(tǒng)進行模態(tài)分析，著重研究了二者間相互作用對各自動態(tài)特性的影響。根據彈性管束的結構特點和約束條件，建立脈動流作用下管束結構強迫振動模型，詳細分析了彈性管束在穩(wěn)態(tài)流體激勵下的動力響應特性。研究發(fā)現：考慮流體的耦合作用后，系統(tǒng)頻率會有不同程度的下降。密度不同的流體介質對頻率下降的貢獻量不同。當管內外為密度較大的流體

10、時，結構設計必須考慮這種下降效應，以避免共振的發(fā)生。在耦合系統(tǒng)中，流體壓力變化會引起結構振動，結構振動也會改變流體壓力分布，從而出現新的振動形式。結構和流體之間的相互作用會改變原系統(tǒng)模態(tài)的頻率和振型；一個系統(tǒng)在其模態(tài)頻率處的振動還會引起另一個系統(tǒng)產生相應模式的振動。在脈動流持續(xù)不斷的激勵下，彈性管束發(fā)生強迫振動，但其振動始終處于一個亞共振區(qū)內，既有足夠大的振幅又不至于破壞，同時兼顧了換熱元件經濟性(強化傳熱)和可靠性(長期高效安全運行)

11、兩方面的要求。 從為理論分析提供實驗數據支持的角度出發(fā)，利用現代測試儀器搭建實驗臺，對彈性管束進行了實驗模態(tài)分析。為了得到理想的測試效果，專門設計了支承結構，精心選擇測點位置，并合理設置系統(tǒng)參數。經過動態(tài)測試和參數識別兩個步驟，得到了彈性管束的固有頻率、模態(tài)阻尼比和振型等模態(tài)參數。對比有限元分析結果與實驗結果，二者吻合良好，從而驗證了有限元模型在單元劃分、屬性設置、約束條件等效和計算方法選擇等方面的可靠性，并為進一步研究彈性管束