管殼式換熱器流體振動(dòng)機(jī)理
一、漩渦脫落
當(dāng)漩渦脫落頻率與管子固有頻率一致時(shí)，管子便會(huì)發(fā)生共振。兩相流體橫向流過(guò)管束時(shí)，只有當(dāng)體積含氣率或空隙率ε 小于15%時(shí)才會(huì)發(fā)生周期性的旋渦脫落激振。
固定方式為彈性支撐或允許發(fā)生彈性形變時(shí)，脈動(dòng)力將引起柱體發(fā)生周期性振動(dòng)，同樣柱體的振動(dòng)會(huì)進(jìn)一步影響尾流旋渦脫落形態(tài)。這種流體與結(jié)構(gòu)物之間相互作用的問題即流致振動(dòng)。
二、紊流抖振
紊流抖振的機(jī)理首先是由歐文 (Owen) 提出。他認(rèn)為在節(jié)徑比較小的緊密排列的管束內(nèi)部，管子成為破渦器，使周期性的旋渦衰減并演變成為紊流旋渦。紊流旋渦有一主導(dǎo)頻率（或稱主頻率）且隨橫流速度增加而增加。紊流旋渦的各種頻率成分分布在主導(dǎo)頻率周圍形成一相當(dāng)寬的頻帶。當(dāng)主導(dǎo)頻率與管子的固有頻率一致時(shí)，便產(chǎn)生相當(dāng)大的能量傳遞，因而導(dǎo)致管子的振動(dòng)。在多數(shù)情況下湍流誘發(fā)振動(dòng)不可避免的。
在管間距較小的管束深處，流體經(jīng)過(guò)曲折流道產(chǎn)生的極度紊流將遏制周期性旋渦的脫落。紊流可能成為激起振動(dòng)的控制因素。如果紊流抖振主頻率接近管子任何一階的固有頻率，也將導(dǎo)致管子共振。
三、流體彈性激振
流體彈性激振也稱流體彈性不穩(wěn)定性，流體彈性不穩(wěn)定性是動(dòng)態(tài)的流體力與管子運(yùn)動(dòng)相互作用的結(jié)果。當(dāng)流體速度較高時(shí)，流體給予管子的能量大于管子的阻尼所消耗的能量。在流體力作用下，管子將產(chǎn)生大振幅的振動(dòng)，很短時(shí)間內(nèi)便遭到破壞。
無(wú)論是氣體、液體、還是兩相流體當(dāng)其流過(guò)管束時(shí)，最常見到的與最具有破壞性的就是流體彈性不穩(wěn)定性。因此它也是最重要的激振機(jī)理。
特性
管束中任何一根管子的運(yùn)動(dòng)都會(huì)改變與其相鄰管子周圍的流場(chǎng)，使流場(chǎng)呈非對(duì)稱振蕩變化，流體力也隨著變化。變化的流體力將驅(qū)使該管附近的管子也運(yùn)動(dòng)起來(lái)。這些管子的運(yùn)動(dòng)反過(guò)來(lái)又改變流場(chǎng)以及作用在原先那根管子上的流體力。因此，一根彈性管位移所導(dǎo)致作用在鄰近管子上的流體力，使后者也產(chǎn)生彈性位移。管子上的流體力不僅與管子本身位移有關(guān)，且與鄰近管的位移也有關(guān)。這種流體力與彈性位移之間相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)，便是通常所稱的流體彈性不穩(wěn)定性，或稱為流體彈性激振。
公式
當(dāng)管束發(fā)生流體彈性激振時(shí)，欲要計(jì)算臨界速度，從實(shí)用觀點(diǎn)考慮，通常都是利用Connors首先提出的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式來(lái)求得的，即：
式中， vc 為臨界速度，m/s；m 為包括流體附加質(zhì)量在內(nèi)單位長(zhǎng)度管子的質(zhì)量，Kg/m；ρ 為管外流體的密度，Kg/m³；f 為管子的固有頻率，1/s；δ 為管子的對(duì)數(shù)衰減率；K 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
根據(jù)connors在單排管中求得的數(shù)據(jù)，K值取9.9顯然是過(guò)高了。建議在上圖所表示的整個(gè)質(zhì)量阻尼參數(shù)范圍內(nèi)，對(duì)各種排列形式的管束，一律推薦取K=3.3。
而ASME規(guī)范建議，當(dāng)管子在氣體中的阻尼比為0.005在蒸汽或液體中的阻尼比為0.015時(shí)，可按圖中的實(shí)線取K＝2.4。
