目录 前 ············.·音备春·。·.··.···。.·。。..·.。。。... 主要符号表… ···音·自·非音音·. (v) 第一章绪论 ……………………(1) 第一节概述………………………………………… 第二节流体在换热器内的流动(I)-—横掠圆柱………………(3) 第三节流体在换热器内的流动(Ⅱ)——横掠管束… (10) 第二章流体诱发振动的基本机理 鲁,d自, 第一节漩涡脱落诱发振动 …∷…(17) 第二节紊流抖振……… ……………………………(39) 第三节流体弹性激振 ·····,看音·, (42) 第四节声共鸣… …(62) 第五节脉动流诱发的振动………………………………………(69) 第三章传热元件的固有频率 74) 第一节基本概念 ……………………………(74) 第二节直管的固有频率… (74) 第三节U型管的固有频率 ……………(83) 第四节管束中管子固有频率的耦联 ………(87) 第四章系统的有效质量与阻尼… 新·音音···中非,.. 93) 第一节有效质量 ……………………………(93) 第二节系统的阻尼… (97) 第三节阻尼的测量 (105) 第五章振动的受力分析与破坏 …(110) 第一节 Thorngren破坏数…… ……(110) 第二节振动破坏的受力分析及临界流速……………(13) 第三节振动疲劳 ……………………(121)
第四节累积损伤理论……………………………………………(124) 第五节振动磨损………………… (128) 第六章振动的防止与有效利用…… (130) 第一节概述………………………………………………………(130) 第二节防止振动的措施 (131) 第三节流体诱发振动强化传热 ……………(134) 附录机械振动基础 ……………(136) 参考文献 ………………………(147) 11
第一章绪论 第一节概述 换热器运行过程中,由于换热介质的流动而引起传热元件的 振动,称之为换热器内流体诱发振动。这种振动会引起换热器的额 外压力损失、噪声和传热元件的破坏.本世纪60年代以来,随着换 热器容量的不断增加,有关振动破坏的事例逐渐增多,目前已引 起世界各国的普遍重视 随着流体的流动,换热器内的传热元件总会产生一些微小的 振动,这并不导致损坏.只有当流体诱发振动的频率与传热元件的 固有频率一致或相当接近时,传热元件的振幅激增,才致其破坏 通常,传热管是换热器中挠性最大的部件,对振动也最敏感.因 此,大多数振动破坏的报道都是传热管的机械损坏.一般说来,主 要的破坏情况有 (1)撞击破坏:当管子振动的振幅大到足以使相邻管子互相 撞击,或边缘管不断击打壳体,在管子的撞击部将产生特有的菱形 磨损形式,管壁不断减薄而至最后开裂 (2)挡板损伤:为了便于安装,一般挡板开孔较管子直径略大 些·当挡板较薄时,管子振动会在管壁与挡板孔边缘之间产生较 高的接触力,对管子有一种锯割作用,短时间内即可使管壁开裂 (3)接头泄漏:管子振动使管子与管板连接处受力较大,从而 导致胀接或焊接点的损坏,造成泄漏. (4)应力疲劳:管子振动的振幅较大时,管子反复弯折的扭弯 应力较高,长时间的连续振动会使管子断裂.这种损伤还会由于 腐蚀作用而加速 (5)冶金失效:振动使传热管上产生交变应力,导致附在管上
的氧化层脱落,管子表面留下坑点.这些坑点使应力集中,缩短了 管子寿命 (6)材料缺陷扩展:振动所引起的应力脉动会使管材中的微 观缺陷扩展,以致产生大裂纹,最终使管子受到破坏. 引起振动的原因大致可以归纳为: (1)漩涡脱落:流体横掠传热管时,其尾部漩涡在流动雷诺数 大到一定程度后便在管子两侧周期性交替脱落,产生周期性的升 力和阻力,导致管子振动 (2)紊流抖振:紊流中脉动变化的压力和速度场不断供给管 子能量,当紊流脉动的主频率与管子的固有频率相近时,管子吸收 能量并产生振动 挡板损伤 相邻管碰撞 管板松动 图1.1传热管破坏情况及位置 (3)流体弹性激振:当管束中任何一根管子在其原始位置上 发生瞬时位移,都会改变周围的流场,破坏相邻管上力的平衡,使 之产生位移而处于振动状态.当流体速度大到某一程度,流体弹性 力对管束所做的功大于管子系统阻尼作用消耗的功,管子的响应 振动振幅将迅速增大 (4)声共鸣:气体流过换热器管束时,可能会产生一个既垂 直于管子又垂直于流动方向的驻波,并在换热器内壁之间穿过管
束来回反射.同时,流体横掠管束时,在管子后面形成漩涡分离 驻波在来回反射的过程中,漩涡分离的能量不断输入.当驻波的频 率与漩涡分离的频率相耦合时,便会引起振动和强烈的噪声. 由以上引起流体诱发振动的原因可以看出,管子在不连续频 率上振动,主要取决于管子系统的固有频率、系统阻尼及流动特 性 第二节流体在换热器内的流动(Ⅰ)——一横掠圆柱 流体横掠圆柱时,在圆柱的迎流面上形成附面层.附面层的厚 度随流动方向逐渐增加.在小雷诺数下,圆柱被流过的液流平滑地 包围起来,附面层只是在圆柱的尾点才离开圆柱壁面.随着雷诺数 的增长,惯性力的作用越来越明显,边界层在圆柱中间即脱离壁面 并在尾部形成漩涡·以雷诺数Re作特征值,可以划分岀流体横掠 园柱时的几个典型工况(参见图1.2): 当Re<5时,惯性力小于粘性力,此时横掠圆柱的流动是平 滑的,流线在其整个表面上都呈现相应弯曲,而流体只是在圆柱 的尾点才开始离开柱面,整个过程没有漩涡产生 随着e的增加(Re<40),圆柱后面的附面层脱离,形成两个 对称的漩涡.但此时尾流仍是稳定的层流.Rc继续增加(Rc>40), 尾流开始变得不稳定,漩涡亦开始脱离圆柱表面.开始时一个漩涡 脱离,造成尾流中压力不对称,则引起第二个漩涡脱离,形成交替 的漩涡脱落 当Re=150时,在圆柱的尾流中发生了不规则的周期性扰 动,这一现象一直持续到Re=300.在Re的这一范围内,漩涡形成 的区域向紊流流动过渡.此后,尾流就变成完全紊流了 Re=3×10°之后,漩涡脱落的规律被破坏,尾流变窄,而且非 常凌乱.直到Re≥3.5×10°时,尾流中又开始存在完全确定的漩 涡脱落频率,紊流涡道得以重建 摩擦力、流体速度与压力的变化造成了附面层的脱离.在圆柱 3