管內流體誘導平面彈性管束振動試驗研究

董延穎，葛培琪,2，王德京

(1.山東大學機械工程學院，山東 濟南 250061；2.高效潔凈機械制造教育部重點試驗室，山東 濟南 250061)

0 引言

彈性管束是一種新型換熱元件[1-2]，其換熱器是通過流體繞流時誘發的管束振動實現強化換熱的[3-5]，并能控制彈性傳熱元件的振動，以保證一定的使用壽命[6]。

季家東[7-9]仿真分析了殼程和管程流體誘導平面彈性管束的振動特性。分析結果表明：管程流體對平面彈性管束振動響應的影響較殼程流體的影響小得多。王安民對管程流體誘導錐螺旋管束的振動響應進行了數值分析[10]和試驗研究[11]。研究表明：管內流體速度在0.05～0.6 m/s范圍內,流體誘導錐螺旋彈性管束振動的幅值隨著流速增加而逐漸增大，并且隨振幅的增加逐漸減小。

上述研究都表明，殼程流體對平面彈性管束振動特性具有影響，但因為其影響較小而沒有對其進行試驗研究。所以本文通過試驗方法驗證其具體影響。

首先，搭建管內流體誘導平面彈性管束振動響應測試試驗臺，設置平面管束不同監測點，以兩自由端為監測重點；然后，給定一定速度的流體，利用加速度傳感器，對彈性管束監測點的振動加速度信號進行采集；最后，在管束入口處加三角柱繞流體，再次采集各監測點的振動加速度信號，并進行數據處理分析。

1 試驗設備及參數

1.1 平面彈性管束幾何模型

平面彈性管束結構如圖1所示。

圖1 平面彈性管束結構圖

管束由a、b、c、d四根紫銅彎管和Ⅰ、Ⅳ兩個不銹鋼連接體焊接組成。管束Ⅰ、Ⅱ端為固定端，連接體Ⅲ、Ⅳ端為自由端。管內流體由Ⅰ端流入，流過連接體Ⅲ，Ⅳ，最后由Ⅱ端流出。彈性管束結構尺寸如表1所示。

表1 彈性管束結構尺寸

1.2 管內流體誘導平面管束振動試驗臺

試驗系統主要由彈性管束、信號采集器、泵速調節系統、水箱、水泵、流量計等組成。流體誘導振動試驗原理如圖2所示。整體系統連接完畢后，開啟水泵，并利用泵速調節系統對水泵進行調節，控制管內流體流量；利用DASP數據采集系統進行信號采集，采集的信號由軟件進行數據處理分析。

搭建平面彈性管束流體誘導振動測試試驗臺：通過試驗獲取了管束自由端的加速度，并對結果進行分析；與仿真分析結果的規律進行對比，分析管程流速對彈性管束加速度的影響規律。

圖2 流體誘導振動試驗原理圖

試驗水循環系統包括：QY15-26-2.2C型號的三相充油式潛水泵，其額定流量是15 m3/h，同步轉速是3 000 r/min；LWGY系列渦輪流量計，量程為0.04～0.4 m3/h；變頻器。信息采集分析系統：在自由端及支座和機架處貼基于ICP信號的加速度傳感器PCB-W35C65/002P20；信號采集分析儀型號是INV3018A，通過Coinv-DASP-V 10數據分析軟件進行分析。

在試驗過程中，為了排除試驗過程中管束支座和機架本身的振動對彈性管束監測點振動的影響，除了測量不同工況下自由端在Z方向的加速度變化情況，還測量了支座和機架的振動頻率。

2 振動測試試驗及結果分析

2.1 彈性管束支架和底座測試分析

把加速度傳感器固定在平面彈性管束支架和底座上，分析彈性管束支架和底座監測點的振動響應。其目的是排除水泵振動對振動測試試驗的干擾等因素。

圖3是入口流速分別為0.1 m/s和0.6 m/s時的支架的振動頻譜圖。從圖3可以看出：0.1 m/s時，支架監測點振動主要頻率為23 Hz和43 Hz，頻率為43 Hz時加速度幅值為0.018 m/s2；入口流速為0.6 m/s時，支架振動的主頻率為43 Hz，加速度幅值為0.092 m/s2；隨著管內流速的增加，支架振動加速度幅值也逐漸增大。

圖3 支架振動頻譜圖

圖4顯示了在第6～8 s時支架監測點的振動位移隨時間的變化，兩條曲線分別是管內流速為0.1 m/s和0.6 m/s時的振動位移曲線。由于平面彈性管束的流體激勵力，支架的振動是多個頻率的復合振動形式，呈現上下振動位移的疊加形式。不過其振幅較小，同時以較大位移振動。管內流速為0.1 m/s時，最大振幅為0.012 mm；管內流速為0.6 m/s，最大振幅為0.021 mm。

圖4 支架振動位移曲線

底座振動頻譜圖如圖5所示。

圖5 底座振動頻譜圖

從圖5可以看出，0.1 m/s時的底座監測點振動主要頻率為23 Hz和43 Hz，頻率為43 Hz時的加速度幅值為0.038 m/s2；入口流速為0.6 m/s時，底座振動的主頻率為43 Hz，加速度幅值為0.201 m/s2；隨著管內的流速增加，支架振動加速度的幅值隨著管內的流速增加而增大。

底座振動位移曲線如圖6所示。

圖6 底座振動位移曲線

圖6顯示了在第6～8 s時底座監測點的振動位移隨時間的變化，兩條曲線分別是管內流速為0.1 m/s和0.6 m/s時的振動位移曲線。由于平面彈性管束的流體激勵力，底座的振動是多個頻率的復合振動形式，呈現上下振動位移的疊加形式。但是其振幅較小，同時以較大位移振動。當管內流速為0.1 m/s時，最大振幅為0.010 mm；管內流速為0.6 m/s，最大振幅為0.021 mm。

綜上所述，隨著管內流速的增加，平面彈性管束支架和底座振動加速度幅值隨著管內流速的增加也逐漸增大。但其振動的位移幅值約為0.02 mm，對振動測試試驗的干擾較小。

2.2 管內流體誘導管束自由端振動測試分析

為了研究管內流體誘導平面彈性管束的振動響應，在管束自由端設置監測點，將加速度傳感器固定在自由端監測點上，并測試了管內不同流體流速下的管束振動響應。管內流體在不同流速下，平面彈性管束的自由端監測點的振動位移隨時間變化。自由端振動位移曲線如圖7所示。

圖7 自由端振動位移曲線

管內流體在0.1 m/s和0.6 m/s的速度下，管束最大位移振幅分別為0.018 mm、0.062 mm。隨著管內流速的增大，彈性管束的振動呈現多個頻率疊加的復合振動形式，并且基本上是呈周期性變化的。

2.3 管內脈動流誘導管束自由端振動測試分析

為了研究管內脈動流誘導平面彈性管束的振動響應，在管束入水口處安置三角柱繞流體，在自由端監測點對管內流體不同流速下的管束振動響應進行了測試。

管內流體流速不同時，脈動流誘導管束振動時監測點的振動位移隨時間的變化曲線如圖8所示。管內流體在0.1 m/s和0.6 m/s的速度下，管束位移最大振幅分別為0.022 mm、0.09 mm。管束振動是多個頻率疊加的復合振動，基本上呈現周期性振動趨勢。

圖8 脈動流誘導振動位移曲線

通過圖7和圖8的對比可知，相同的管內流體速度下，脈動流引起的管束振動幅值分別增加0.004 mm、0.028 mm。

3 結束語

本文通過試驗，研究了管內流體誘導平面彈性管束的振動響應特性。在不同入口流速下，通過加速度傳感器測試管束自由端的振動響應特性并進行分析處理，得到以下結果。流體入口速度在0.1～0.6 m/s范圍內，隨著流速增加管束振動幅值增加0.044 mm，說明管束振幅隨流速增加而增加。流體入口速度在0.1～0.6 m/s范圍內，在脈動流影響下隨著流速增加管束振動幅值增加0.068 mm，說明脈動流誘導管束振動振幅隨流速增加而增加。在相同入口流速下，管束振幅在脈動流影響下增加0.004～0.033 mm，且增幅隨流速的增加而先增后減。

試驗驗證了管束振幅在管內脈動流影響下增大且增幅先增后減，為管內流體誘導管束振動提供了試驗依據。