脈動流發(fā)生裝置誘導(dǎo)彈性管束振動的實驗研究

季家東，張經(jīng)緯，高潤淼，劉 萍，劉保銀，陳衛(wèi)強

(1.安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232001)

彈性管束換熱器[1-3]利用彈性傳熱元件替代傳統(tǒng)的剛性元件，通過內(nèi)部流體引起的管束振動實現(xiàn)強化傳熱[4-6]。然而，在長期的研究和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，彈性管束換熱器存在內(nèi)部各排管束振動不均的問題，振動劇烈的管束易發(fā)生疲勞破壞，振動微弱的管束換熱效果較差[7-9]。通過改變管束結(jié)構(gòu)或改變其在換熱器內(nèi)的布置方式，均無法進行有效解決，這是目前一直無法突破的技術(shù)瓶頸。因此，設(shè)計一種能夠?qū)苁駝舆M行有效激發(fā)和控制的脈動流發(fā)生裝置，對于突破管束振動不均的技術(shù)瓶頸，乃至進一步實現(xiàn)對換熱器綜合傳熱的有效控制都具有重要的理論和工程意義。

宿艷彩[10]通過搭建振動測試實驗臺對彈性管束的振動特性進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)殼程流體對管束振動頻率和強度的影響較大，且在低速誘導(dǎo)工況時管束振動存在諧頻現(xiàn)象。閆柯等[5]設(shè)計了一種空間錐螺旋彈性管束換熱器，并搭建振動測試實驗臺測試了多組錐螺旋管束在殼程流體誘導(dǎo)下的振動特性。結(jié)果表明，流速對各排錐螺旋管束的振動影響較大，不同流速條件下的錐螺旋管束振動存在明顯的振動不均現(xiàn)象。為了實現(xiàn)對彈性管束振動的有效激發(fā)和控制，姜波等[11]設(shè)計了一種依靠電機驅(qū)動的流體誘導(dǎo)裝置并進行了實驗研究，得到了不同工況下改進型彈性管束的面均傳熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)低頻脈動時強化傳熱效果較好。但該流體誘導(dǎo)裝置一方面需要消耗額外能量，另一方面不能解決管束的振動不均問題。孟海濤[12]基于流體繞流分析設(shè)計了一種立管式脈動流發(fā)生裝置，并實驗測試了該裝置在彈性管束換熱器內(nèi)的實際功效。然而，由于該裝置結(jié)構(gòu)方面的缺陷，不能在各分支口生成頻率和強度均勻一致的脈動流，進而也無法實現(xiàn)對振動的有效激發(fā)和控制，不能解決各排管束振動不均的問題。但這種無需消耗外加能量的裝置設(shè)計理念值得關(guān)注。

脈動流發(fā)生裝置的設(shè)計應(yīng)遵循如下原則：其形成的脈動流應(yīng)具有基本一致的脈動頻率和強度，這樣才能使各排彈性管束均勻振動；其脈動流頻率要誘導(dǎo)彈性管束在脈動頻率下振動，這樣才能實現(xiàn)對彈性管束振動頻率的調(diào)節(jié)；其脈動流強度要足以誘導(dǎo)各排管束實現(xiàn)振動強化傳熱，并實現(xiàn)對彈性管束振動強度的調(diào)節(jié)。因此，形成的脈動流應(yīng)具有均勻、一致、可調(diào)、可控的特點。

為此，本文基于立管式脈動流發(fā)生裝置的設(shè)計理念，提出了一種新型脈動流發(fā)生裝置，并規(guī)劃了其在彈性管束換熱器內(nèi)的安裝。通過搭建脈動流誘導(dǎo)彈性管束振動測試實驗臺，測試了換熱器內(nèi)各排彈性管束在不同工況下的振動響應(yīng)。

1 實驗裝置

1.1 脈動流發(fā)生裝置

圖1所示為一種新型脈動流發(fā)生裝置及其在彈性管束換熱器內(nèi)的安裝，該脈動流發(fā)生裝置包括：豎管、橫管和分支管，其中分支管由彎管、導(dǎo)流管和脈動管組成，三棱柱形的擾流體安放在脈動管端部的卡槽上。

1.流體入口；2.脈動管；3.導(dǎo)流管；4.彎管；5.擾流體；6.豎管；7.分支口；8.橫管；9.底口。

脈動流發(fā)生裝置一端安裝在換熱器的上封頭，一端懸置于換熱器底部。分支口與彈性管束大連接銅管一一對應(yīng)。流體流經(jīng)擾流體后形成具有一定頻率和強度的脈動流，誘導(dǎo)各排彈性管束振動。通過改變分支管或擾流體的形狀/尺寸，可實現(xiàn)對脈動流頻率和強度的調(diào)整，進而實現(xiàn)對彈性管束振動的有效激發(fā)和控制。

實驗用彈性管束(參見圖4)及換熱器的主要尺寸如表1所示。表1中，l、d，δ指大小連接銅管的長度、外徑和壁厚。脈動流發(fā)生裝置的主要尺寸如下：H=60 mm，d1=45 mm，d2=30 mm，d3=15 mm，d4=10 mm，η=60°，底口：20 mm×20 mm。擾流體是截面為等邊三角形的三棱柱，且截面邊長為2 mm。

表1 實驗用彈性管束及換熱器的主要尺寸

1.2 實驗系統(tǒng)

為了研究換熱器內(nèi)各排彈性管束在脈動流發(fā)生裝置作用下的振動特性，搭建振動測試實驗臺如圖2所示，其實驗原理圖如圖3所示。

圖2 振動測試實驗臺

圖3 振動測試實驗原理圖

振動測試實驗臺包括：水循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和彈性管束換熱器。水循環(huán)系統(tǒng)由水泵、水箱、變頻器和高壓水帶組成。需要說明的是，因殼程流體是造成管束振動的主因[2]，本實驗僅測試殼程流體誘導(dǎo)下的管束振動響應(yīng)，管程流體對振動的影響不作考慮。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)由傳感器、高精度數(shù)據(jù)采集儀和計算機組成。其中，水泵采用額定流量為15 m3/h三相充油式潛水泵(型號：QY15-26-2.2C)，傳感器采用基于ICP信號的加速度傳感器(型號：PCB-W352C65/002P20)，高精度數(shù)據(jù)采集儀型號：INV3018A，數(shù)據(jù)處理軟件：Coinv-DASP-V10。

加速度傳感器采用502膠水粘貼在彈性管束大小連接銅管的頂部中心位置，如圖4所示。為便于分析，將彈性管束由下至上依次編號為I、II、…、VI，傳感器由下至上依次編號為Ai和Bi(i=1,2,…,6)。

圖4 加速度傳感器在彈性管束上的粘貼位置

為了測試不同流速下彈性管束的振動響應(yīng)，通過變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，進而控制入口水流速度。為了對比分析，實驗進行了兩種補充測試：① 外部干擾振動測試，傳感器安放在換熱器的殼體上，具體安裝位置如圖5所示；② 無脈動流誘導(dǎo)時彈性管束振動響應(yīng)測試，采用將脈動流發(fā)生裝置各分支口封堵的方式實現(xiàn)，傳感器的安放位置如圖4所示。為了降低制造過程引起的管束結(jié)構(gòu)偏差，測試中多次改變彈性管束的安裝位置，對比分析測試數(shù)據(jù)，剔除不合理數(shù)據(jù)。

圖5 加速度傳感器在換熱器殼體的安放位置

為了降低水泵工作過程產(chǎn)生的振動對測試信號的影響，采用隔振措施如下：① 水泵與水箱間鋪設(shè)厚度為10 mm的硅膠片；② 支架與水箱間隔開一定距離。

2 結(jié)果與討論

2.1 換熱器殼體振動測試

為了排除水泵及環(huán)境因素引起的干擾振動，在換熱器殼體位置安放兩個傳感器(如圖5所示)，測試了不同入口流速時殼體的振動響應(yīng)。

圖6、圖7所示為不同入口流速(vinlet=0.1 m/s和0.4 m/s)條件下的加速度頻譜圖。

圖6 換熱器殼體不同位置的加速度頻譜圖(vinlet=0.1 m/s)

圖7 換熱器殼體不同位置的加速度頻譜圖(vinlet=0.4 m/s)

從圖6和圖7可以看到：殼體的振動強度隨入口流速的增加而增加，主要干擾頻率包括：16 Hz、29 Hz和50 Hz。另外，高流速時(vinlet=0.4 m/s)頻率為29 Hz的振動明顯增強，原因為此時電機的激發(fā)頻率接近水箱29 Hz的固有頻率，使得水箱振動加劇，進而影響了傳感器收集到的加速度信號。

2.2 無脈動流時彈性管束的振動測試

為了測試脈動流發(fā)生裝置的實際功效，將各分支口進行封堵，使流體僅由底口流入換熱器。這樣，誘導(dǎo)彈性管束振動的流體介質(zhì)僅為殼程流體。

圖8、圖9所示為不同入口流速(vinlet=0.1 m/s和0.4 m/s)條件下第I排彈性管束上傳感器A1、B1的加速度頻譜圖。

圖8 分支口封堵時A1、B1的加速度頻譜圖(vinlet=0.1 m/s)

圖9 分支口封堵時A1、B1的加速度頻譜圖(vinlet=0.4 m/s)

從圖8和圖9可以看到：

(1)去除干擾頻率16 Hz后，傳感器A1測得的主要振動頻率為24 Hz和42 Hz；傳感器B1測得的主要振動頻率為26 Hz和43 Hz。

(2)入口水流速度較高時，傳感器檢測到的振動信號較強，說明管束振動較劇烈，但主要振動頻率的頻率值不發(fā)生變化。

(3)不同入口流速條件下，傳感器A1檢測的振動幅值較B1高，說明彈性管束大連接銅管的振動較劇烈，但相對應(yīng)的頻率值略低。

(4)傳感器A1測得的加速度信號較單一，傳感器B1測得的加速度信號出現(xiàn)多個振動頻率。

殼程流體在換熱器內(nèi)近似于螺旋向上流動，主流流經(jīng)彈性管束的大連接銅管，這是引起傳感器A1測得的加速度信號頻率較單一、振幅較大的主因；而影響小連接銅管振動的流體流動特性較復(fù)雜、方向不單一，造成傳感器B1測得的加速度信號出現(xiàn)多個頻率，且在流速較低時受干擾信號的影響明顯。

圖10所示為不同入口流速條件下，傳感器Ai測得的不同頻率所對應(yīng)幅值隨管束編號的變化情況。其中，幅值為多次測試的平均值。

(a)vinlet=0.1 m/s

從圖10可以看到：

(1)隨管束編號的增加，振動頻率略有增加，但增幅較小。

(2)不同管束振動的強度差距較大，如不同流速條件下頻率24 Hz(或25 Hz)所對應(yīng)幅值的最大相對誤差分別約為65.6%和68.2%，說明換熱器內(nèi)各排管束存在明顯的振動不均問題。

綜上，僅殼程流體誘導(dǎo)下，彈性管束的振動存在明顯的振動不均問題，這與文獻[2]的研究結(jié)果一致。這樣，振動較劇烈的管束換熱效果較好，但易發(fā)生疲勞破壞，影響管束的使用壽命；振動較微弱的管束使用壽命較長，但傳熱效果較差。

2.3 有脈動流時彈性管束的振動測試

將脈動流發(fā)生裝置各分支口打開，使部分流體從各分支口流入換熱器，部分流體由底口流入換熱器。這樣，誘導(dǎo)彈性管束振動的流體介質(zhì)包括殼程流體(由底口流入換熱器殼程的流體)和脈動流體(由各分支口流入換熱器殼程的脈動流體)。

圖11、圖12所示為不同入口流速(vinlet=0.1 m/s和0.4 m/s)條件下第I排彈性管束上傳感器A1、B1的加速度頻譜圖。

從圖11和圖12可以看到：

圖11 分支口打開時A1、B1的加速度頻譜圖(vinlet=0.1 m/s)

圖12 分支口打開時A1、B1的加速度頻譜圖(vinlet=0.4 m/s)

(1)在脈動流發(fā)生裝置的作用下，彈性管束存在兩個主要振動頻率，其中一個基本不受流速的影響，稱之為定頻率(24 Hz或25 Hz)；另一個隨流速的增加而增加，稱之為動頻率(14 Hz、46 Hz或47 Hz)。

(2)定頻率與有無脈動流發(fā)生裝置無關(guān)(參見圖8、圖9)，其由殼程流體和管束結(jié)構(gòu)所致；動頻率與脈動流發(fā)生裝置各分支脈動流頻率基本一致，其由脈動流誘導(dǎo)所致。

(3)與分支管被封堵時的情況相比，脈動流發(fā)生裝置使管束的振動強度明顯增強；且彈性管束大連接銅管的振動較劇烈，這是由于分支口正對大連接銅管所致。

圖13和圖14所示為不同入口流速條件下，傳感器測得的不同頻率所對應(yīng)幅值隨管束編號的變化情況。其中，幅值為多次測試的平均值。

從圖13和圖14可以看到：

(a)傳感器A1

(a)傳感器A1

(1)與分支管被封堵時的情況相比，兩傳感器測得的加速度幅值和頻率差距變小。例如，vinlet=0.1 m/s時兩加速度幅值的最大誤差分別約為10.7%和12.8%，說明管束振動的均勻性獲得明顯提高。

(2)與分支管被封堵時的情況相比，管束的振動強度也獲得了大幅提高。例如，vinlet=0.1 m/s時管束定頻率的幅值平均增加約2.9倍。這是由分支口流出的脈動流直接沖擊彈性管束大連接銅管所致。

圖15所示為實驗測得的定頻率和動頻率隨入口流速的變化情況。為了便于分析，將分支脈動流的頻率同時列出。

圖15 定頻率和動頻率隨入口流速的變化情況

從圖15可以看出：

(1)定頻率基本不受入口流速的影響，動頻率隨入口流速的增加而增加，且與分支口脈動流頻率的變化趨勢一致。

(2)動頻率略低于脈動流頻率，這是由換熱器內(nèi)流動的殼程流體所致。

綜上，由于脈動流發(fā)生裝置的作用，彈性管束以兩個主要頻率振動，其中定頻率基本不受流速的影響，動頻率隨流速的增加而增加；本文設(shè)計的脈動流發(fā)生裝置，一方面使彈性管束的振動頻率和強度基本一致，且明顯提高管束的振動強度；另一方面可以通過改變?nèi)肟诹魉賹崿F(xiàn)對動頻率及其強度的調(diào)整。

3 結(jié) 論

基于一種新型脈動流發(fā)生裝置，搭建了脈動流誘導(dǎo)彈性管束振動測試實驗臺，測試了換熱器內(nèi)各排彈性管束在不同工況下的振動響應(yīng)。主要結(jié)論如下：

(1)僅殼程流體誘導(dǎo)下，彈性管束的振動存在明顯的振動不均問題，振動較劇烈的管束換熱效果較好，但易發(fā)生疲勞破壞，影響其使用壽命；振動較微弱的管束使用壽命較長，但傳熱效果較差。

(2)在脈動流發(fā)生裝置的作用下，彈性管束存在兩個主要振動頻率，其中一個基本不受流速的影響，稱之為定頻率；另一個隨流速的增加而增加，稱之為動頻率。定頻率與有無脈動流發(fā)生裝置無關(guān)，其由殼程流體和管束結(jié)構(gòu)所致；動頻率與脈動流發(fā)生裝置各分支脈動流頻率基本一致，其由脈動流誘導(dǎo)所致。

(3)本文設(shè)計的脈動流發(fā)生裝置，一方面使彈性管束的振動頻率和強度基本一致，且明顯提高管束的振動強度；另一方面可以通過改變?nèi)肟诹魉賹崿F(xiàn)對動頻率及其強度的調(diào)整。