USST_Arts_112320152管壳式换热器管束动力特性分析及流体诱导振动研究
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摘 要
众所周知，换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，是传热工程
中必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用，在化工、冶金、动力、航空与
航天等部门应用尤为广泛。在各类换热器中，间壁式换热器中的管壳式换热器由
于结构简单，操作可靠，可用各种结构材料制造，能在高温、高压下使用，应用
范围广泛，占整个换热设备使用总数的 70％左右。近几年来，随着工业的快速发
展，为改善传热性能，减少结垢堵塞，管壳式换热器趋向于大型化、高流量发展，
换热器中管束的无支撑跨度增大，刚性变差，由流体诱导振动产生的换热器振动
破坏事件也逐渐增加，流体诱导振动问题逐渐成为了阻碍换热器发展的重要因素。
本文将对管壳式换热器的管束动力特性和流体诱导振动进行研究，主要的工作和
结论包括：
1.采用数值模拟的方法对管壳式换热器进行流固耦合状态下的模态分析，计算
其实际工况下的固有频率，按照相关标准（GB151），对其进行管束振动分析。
2.采用数值模拟的方法对换热器管束进行流固耦合状态下的模态分析。分别建
立包含壳程流体的单根换热管，相同节径比、不同排列方式的四根换热管，相同
排列方式、不同节径比的三根以及七根换热管模型。计算其实际工况下的固有频
率，研究不同排列方式与不同节径比对于换热器管束在其实际工况中的固有频率
的影响。
3.采用计算流体力学计算软件对换热器壳程流体进行流场分析。根据换热器实
际工况，分别建立不同节径比的三根以及七根换热管圆柱绕流模型，研究不同节
径比对于换热器壳程流场的影响。
本文的研究成果有助于理解管壳式换热器管束动力特性及壳程流体的流动情
况。在工程实际中，对换热器的防振设计有很好的参考价值。
关键词：换热器 动力特性 数值模拟 诱导振动
ABSTRACT
It is known that Heat Exchanger is an necessary equipment in the thermal
transmission which transfer heat from hot fluid to cool fluid, used in most industry
fields especially in the Chemical Industry Metallurgy Industry, Dynamic Industry
and Aerospace Industry. Among different kinds of Heat Exchangers, the Shell-and
Tube Heat Exchanger occupy almost 70% consumptions for its simple structure, reliable
operation, manufactured in different kinds of materials, used under high temperature
and pressure. Recently, with the fast development of industry, Shell-and Tube Heat
Exchangers are developing into the large-scale and high-flow style so as to improve the
heat exchanger efficiency. So the non-support span increases which makes the tube’s
rigidity poorer. Meanwhile, the flow-induced vibration becomes the focus for the
accidents caused by the flow-induced vibration increased, as well. This dissertation
takes the dynamic characteristic and flow-induced vibration of the Heat Exchanger as
the research object. The main study and conclusions are as follows:
1.Numerical simulation is used here to analyze the modal of the Shell-and-Tube
Heat Exchanger under the fluid structure interaction. Natural frequency of Exchanger is
calculated under the real condition, and the vibration analysis is done according to the
relative standard(GB151);
2.Numerical simulation is used here to analyze the modal of the Tube Bundles
under the fluid structure interaction. Single tube model, four tubes model with the same
pitch diameter ratio and different arrangements, three and seven tubes model with the
same arrangement and different pitch diameter ratio are made separately to calculate
their natural frequencies and study the influence of different arrangements and pitch
diameter ratio in their natural frequencies under the real condition;
3.Computational fluid dynamics software is used here to analyze the fluid field of
the exchanger. Three and seven tubes under the flow around a circular cylinder with
different pitch diameter ratio are established separately under the real condition to study
the influence of different pitch diameter ratio on the fluid field of shell side.
The research of this dissertation is helpful to understand the dynamic characteristic
of the Shell-and-Tube Heat Exchanger and its flow condition of the shell side, and good
reference value to the shockproof design of Heat Exchanger in the practical engineering.
Key Words：Heat Exchanger, Dynamic Characteristic, Numerical
Simulation, Flow-induced Vibration
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................ 1
1.1 研究背景 ........................................................ 1
1.2 流体诱导振动的研究进展 .......................................... 4
1.2.1 漩涡脱落的研究进展 ......................................... 4
1.2.2 流体弹性不稳定的研究进展 ................................... 5
1.2.3 换热器管束动态特性的研究进展 ............................... 6
1.2.4 相关标准规范简介 ........................................... 6
1.3 研究内容和目的 .................................................. 6
第二章 流体诱导振动 ................................................. 8
2.1 引言 ............................................................ 8
2.2 振动 ............................................................ 9
2.3 管束振动特性 .................................................... 9
2.3.1 直管的固有频率 ............................................. 9
2.3.1.1 管子与挡板孔余隙 ........................................ 10
2.3.1.2 轴向应力 ................................................ 10
2.3.1.3 间距长度 ................................................ 10
2.3.1.4 管子振动的振幅 .......................................... 11
2.3.1.4 系统阻尼 ................................................ 11
2.4 换热器的壳侧流速 ............................................... 12
2.4.1 交叉流速度 ................................................ 12
2.4.2 平行流速度 ................................................ 12
2.4.3 泄漏和旁路流速度 .......................................... 12
2.4.4 流体进出口速度 ............................................ 13
2.4.5 旋转速度 .................................................. 13
2.5 流体诱导振动现象 ............................................... 13
2.5.1 漩涡脱落 .................................................. 13
2.5.2 湍流抖振 .................................................. 14
2.5.3 流体弹性不稳定 ............................................ 14
2.5.4 平行流涡流的形成 .......................................... 15
2.5.5 声振 ...................................................... 15
2.5.5 复合现象 .................................................. 16
第三章 管壳式换热器的数值模拟分析 .................................. 17
3.1 算例说明 ....................................................... 17
3.2 换热器动态特性分析 ............................................. 19
3.2.1 有限元方法简介 ............................................ 19
3.2.2 换热器固有频率求解原理 .................................... 19
3.2.3 单元介绍 .................................................. 20
3.2.4 模型介绍 .................................................. 22
3.2.5 模型建立，边界条件施加 .................................... 22
3.2.6 计算结果 .................................................. 24
3.2.7 卡门涡街频率 .............................................. 25
3.2.8 结论 ...................................................... 26
第四章 换热器管束动力特性研究 ...................................... 27
4.1 引言 ........................................................... 27
4.2 模态分析的定义及其应用 ......................................... 27
4.3 换热管的模态分析 ............................................... 27
4.3.1 单根换热管模态分析 ........................................ 28
4.3.2 管束不同排列方式对固有频率的影响 .......................... 37
4.3.2.1 四根换热管等边三角形排列模态分析 ........................ 38
4.3.2.2 四根换热管正方形排列模态分析 ............................ 44
4.3.2.1 小结 .................................................... 51
4.3.3 三根换热管不同节径比对固有频率的影响 ...................... 51
4.3.3.1 节径比为 1.28 的三根换热管模态分析 ....................... 51
4.3.3.2 节径比为 1.4 的三根换热管模态分析 ........................ 57
4.3.3.3 节径比为 1.5 的三根换热管模态分析 ........................ 58
4.3.3.4 节径比为 1.6 的三根换热管模态分析 ........................ 59
4.3.3.5 节径比为 1.7 的三根换热管模态分析 ........................ 59
4.3.3.6 小结 .................................................... 60
4.3.4 七根换热管不同节径比对固有频率的影响 ...................... 61
4.3.4.1 节径比为 1.28 的七根换热管模态分析 ....................... 61
4.3.4.2 节径比为 1.4 的七根换热管模态分析 ........................ 71
4.3.4.3 节径比为 1.5 的七根换热管模态分析 ........................ 71
4.3.4.4 节径比为 1.6 的七根换热管模态分析 ........................ 72
4.3.4.5 节径比为 1.7 的七根换热管模态分析 ........................ 73
4.3.4.6 小结 .................................................... 74
4.3.5 节径比对于频率带宽的影响 .................................. 75
4.4 总结 ........................................................... 76
第五章 换热器流场分析 .............................................. 78
5.1 引言 ........................................................... 78
5.2 计算流体力学 ................................................... 79
5.2.1 计算流体力学基本原理 ...................................... 79
5.2.2 CFX 简介 .................................................. 79
5.3 流场分析 ....................................................... 79
5.3.1 单管绕流 .................................................. 80
5.3.2 三管绕流 .................................................. 83
5.3.2.1 节径比为 1.28 的三管绕流 ................................. 83
5.3.2.2 节径比为 1.4 的三管绕流 .................................. 87
5.3.2.3 节径比为 1.5 的三管绕流 .................................. 89
5.3.2.4 节径比为 1.6 的三管绕流 .................................. 90
5.3.2.5 节径比为 1.7 的三管绕流 .................................. 92
5.3.2.6 小结 .................................................... 94
5.3.3 七管绕流数值模拟及分析 .................................... 94
5.3.3.1 节径比为 1.28 的七管绕流 ................................. 94
5.3.3.2 节径比为 1.4 的七管绕流 .................................. 98
5.3.3.3 节径比为 1.5 的七管绕流 ................................. 100
5.3.3.4 节径比为 1.6 的七管绕流 ................................. 102
5.3.3.5 节径比为 1.7 的七管绕流 ................................. 103
5.3.3.6 小结 ................................................... 105
5.4 总结 .......................................................... 105
第六章 结论与展望 ................................................. 107
6.1 总结 .......................................................... 107
6.2 展望 .......................................................... 108
参考文献 .......................................................... 109
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 114
致 谢 .......................................................... 115
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
1.1 研究背景
换热器（heat exchanger），是用于在两种或两种以上流体间、一种流体一种固
体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度的同一种流体间的热量（或焓）传
递的装置。换热器是传热工程中必不可少的设备，几乎在所有工业领域都会广泛
使用它。据相关统计，换热器的重量占工艺设备总重的 40% [1]；在年产 30 万吨乙
烯装置中，换热器的投资占总投资的 25%[2]。换热器按传送热量的方法来分可分为
间壁式、混合式和蓄热式等三大类[3]。其中，在所有类型的换热器中，管壳式换热
器(shell and tube heat exchanger)由于操作可靠，结构简单，可用各种结构材料（主
要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，应用广泛，占整个换热设备使用
总数的 70％左右[4]。
管壳式换热器又称为列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面
的间壁式换热器。管壳式换热器是在一个圆筒形壳体内设置许多平行的管子（管
束），让两种流体分别从管内空间（管程）和管外空间（壳程）流过进行热量的交
换。管壳式换热器具有结构简单，造价低，选材广，处理能了大，能适应高温高
压的要求等特点。虽然管壳式换热器面临各种新型热交换器的挑战，但由于它具
有极高的可靠性和广泛性，至今依然处于优势地位。
目前在工业发达国家，换热设备的热回收率已经达到了 96％，甚至更高。为
了提高换热设备的热回收率，热交换器趋向于向专业化、标准化和大型化发展。
随着工业的快速发展，为改善传热性能，减少结垢堵塞，管壳式换热器趋向于大
型化、高流量发展，换热器中管束的无支撑跨度增大，刚性变差[5]，由流体诱导振
动产生的换热器振动破坏事件也逐渐增加，换热器管束的流体诱导振动问题越来
越受到人们的关注。这将热交换器在运行过程中存在但并不显著的一些问题都凸
显了出来，其中最主要问题的就是换热器内流体诱导振动问题，这成了制约热交
换器进一步朝着大型化发展的重要阻碍原因，也促使世界各国对换热器流体诱导
振动问题高度重视，并对其进行了大量的研究。
换热器内的流体诱导振动将引发剧烈的噪声和元件的破坏[6]。换热器振动破坏
的实例很多，未经报告的则更多[7]。在 20 世纪中期，便有了关于换热器由于振动
导致破坏的报道[8,9]。到了 20 世纪 60 年后期，美国管壳式换热器制造者协会（TEMA）
调查了 11 家公司制造的 42 台换热器，其中 24 台发生振动；1972 年美国传热研究
上海理工大学硕士学位论文
2
公司（HTRI）调查了 66 台换热器，其中 58 台发生不同程度的振动[10]。另外在中
国、德国、法国等地也发生了相似的换热器振动破坏 [11~13]。
1981 年出版的《Heat Exchangers：Thermal-Hydraulic fundamentals and Design》
[14] 中认为流体诱导的管束振动、换热器内传热表面上的积垢、混合物的沸腾、壳
程两相流的流动分布以及湍流流动的模拟等五方面的问题是换热器设计过程中急
需解决的问题。其中，流体诱导振动和传热表面积垢对换热器造成直接危害，故
研究者非常重视这两者，并对这两类问题做了很多研究。但由于该问题本身的复
杂性，研究人员一直未能找到合适的解决方法。
我国许多省市的发电厂、化工厂，都曾发生过锅炉、换热器管束振动破坏情况
[15~17]。近几年来，随着工业的快速发展，为改善传热性能，减少结垢堵塞，管壳
式换热器趋向于大型化、高流量发展，换热器中的换热管直径减小但无支撑跨度
却越来越大，刚性变差，在工程应用中换热器由流体诱导振动产生的损坏数量越
来越多。在换热器的所有部件中，管子最富有扰性，故换热管对振动尤为敏感，
振动也是造成换热管破坏的主要因素。通常，换热管的振动破坏由以下一种或几
种因素引发：撞击损伤，挡板损伤，疲劳，管接头泄漏等。以上所述的换热管振
动破坏（见图1-1）的情况是通过对发生振动破坏的换热器进行总结得出的结果，
它具有一定的普遍性。
图1-1 换热器破坏情况
我们需将换热器的振动问题研究透彻，才能在换热器设计时采取适当措施避免
换热器管束发生振动破坏。
流体诱导振动是一门具有非常强的实用性但又极其复杂的综合性学科。换热器
内由于流体的流动而导致的传热元件振动，是研究流体诱导振动最具代表性的构
第一章 绪 论
3
件。正是由于换热器振动成为换热器设计与运行的重要问题，流体诱导振动的研
究才得到了快速的发展。流体诱导振动是以振动机理，流体在流动过程中产生的
激发力以及构件在力的作用下的发生运动为其研究对象。对构件受到的流体力及
其对应的响应进行分析，预测构件的振动状况，并以此来评估构件是否会发生振
动，分析构件发生振动的起因，以便采取防振措施避免振动。管壳式换热器的壳
程流体纵向流引起管子振动的危害小，一般可以忽略，只有在流速极大的情况下，
才会考虑纵向流引起的管束振动 [18,19]。然而横向流在通常情况下就会引发换热管
束强烈的振动，危害极大。因此，研究人员对于横向流引起的振动及其相适的防
振措施尤为重视。大量学者多年来通过理论与实验研究，认为流体诱导振动机理
为“Vortex Shedding”、“Turbulent Buffeting”、“Fluid - elastic Instability”、“Acoustic
Resonance”[20]，以下内容是对这些机理的简介。
（1）漩涡脱落（Vortex Shedding）
漩涡脱落是换热器管束发生流体诱导振动破坏的主因。当流体横向掠过圆管时，
在圆管两侧产生周期性交替脱落的漩涡，发生卡曼漩涡现象，使圆管上的压力分
布呈现周期性变化。静压不同的圆管两侧会产生升力，大小和方向随漩涡脱落产
生周期性变化，导致了圆管发生横向振动。当换热器的管束固有频率与漩涡脱落
频率相近时，将引发共振，具有严重的危害性。
（2）紊流抖振（Turbulent Buffeting）”
横掠管束的流体所产生的紊流，可以使管子发生振动。紊流流动几乎在换热器
内随处可见，换热管束从紊流中脉动变化的压力和速度场中获得能量。由于管子
流体动力学的选择性，受到这些压力波动作用时，在其固有频率上引起响应而振
动，即湍流抖振。紊流抖振是一个脉动频率很宽且由随机力作用的衰减振动，管
子在固有频率附近产生响应，在脉动力的主频率与管子固有频率重合处出现振动
峰值。普遍认为，紊流抖振是导致换热器管束发生流体弹性不稳定的主要原因。
（3）流体弹性不稳定（Fluid - elastic Instability）
流体弹性不稳定是流体与换热管束结构共同作用产生的自激激振。换热器某管
的运动便会改变其周围的流场情况，流场的改变将使作用在换热管上的流体力产
生变化，进而管子发生运动，该运动则改变了其流场情况，从而改变了流体力。
一根换热管发生运动产生位移，会对与其相邻的管子施加流体力而使其产生位移，
这种流体力与弹性位移的相互作用就叫流体弹性不稳定。
（4）声共鸣（Acoustic Resonance）
当气体的激励频率接近于换热器内空气柱振动的固有频率时，就会在换热器内
产生共鸣，称之为声共鸣。空气柱振动的固有频率和形成驻波有关，驻波是由两
上海理工大学硕士学位论文
4
列振幅、频率、振动方向都相同但传播方向相反的波叠加而成的。一般认为，流
体流过管束时产生的漩涡脱落或紊流脉动将产生声共鸣。管束内的漩涡脱落所产
生的波动升力与驻波流体柱内的质点运动相互作用，不断将能量输送给驻波，从
而诱发强烈的噪声及振动．也有人认为，管束内紊流流动的触发机制导致了声共
鸣．基于以上两种观点，可以认为当漩涡脱落频率或紊流脉动主频率与某阶驻波
频率相等则发生声共鸣。一般只有当换热器的壳程流体为气体时，才考虑声共鸣。
长久以来，很多专家与学者对这些机理在理论和实验中做了很多的科研工作，
取得了一些成果。然而，由于流体横掠管束的流场情况很复杂，流体诱导换热器
管束振动问题还有许多未明的机理[21] ，迄今为止，还不能精准的预测识别换热器
振动破坏。
本课题主要研究管壳式换热器管束在换热器运行时的固有频率，壳程流体横掠
管束时的流场，以及换热器管束节径比的变化对于换热器运行时的固有频率和流
场的影响。
1.2 流体诱导振动的研究进展
1.2.1 漩涡脱落的研究进展
当换热器管束的固有频率趋近于与漩涡脱落的频率时，便会产生共振，造成换
热器的损坏。但从理论上要精准的求解漩涡脱落频率难度非常大，在工程中，常
用斯特罗哈数 Strouhal 来确定，而 Strouhal 与其结构本身和 Reynolds 密切相关
综上所述可知，换热管振动情况与 Strouhal 和Reynolds 密切相关，Gregong 等
人根据实验所得，用 Strouhal 和Reynolds 描绘出换热管可能发生振动的区域，该
区域见图 1-2。
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2025-01-09 5
作者：牛悦
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：119 页
大小：9.07MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
