[发明专利]一种平面管束流体弹性失稳评定方法

说明书

本发明提供的一种平面管束流体弹性失稳评定方法包括模态分析和Connors公式计算两部分。模态分析部分负责计算换热管的固有频率和对应的振型；Connors公式计算则根据模态分析结果计算不同模态下的等效流速和临界流速。本发明具有如下优点：利用有限元本身的离散特点，可以实现不同管外流体参数、非均匀横向流速、复杂换热管形状的模态分析计算；在有限元模态分析结果的基础上，采用高斯积分方法对Connors公式进行计算，实现了振型对等效流速的加权效应。

技术领域

本发明涉及一种对平面管束流体弹性失稳进行评定的方法。

背景技术

管壳式换热器广泛应用于电力、化工领域，主要利用换热管束实现管内外流体介质的大面积热交换。管外流体在流经管束时，其流动方向可分解为纵向和横向。如果横向流速过大，则会产生流体弹性失稳现象，导致换热管大幅振动并最终破坏失效。

流体弹性失稳是一种流固强耦合问题。每根换热管的运动会影响流体作用力和其他换热管的运动，并产生自激力。对于失稳现象的发生，一般认为是流固耦合作用对结构质量、阻尼和作用力产生了不利影响。由于其机理复杂，目前没有非常完善的理论，大部分预测失稳发生的公式都是通过试验测量得到的经验公式。

热交换器标准GB/T 151-2014的附录C对流体诱发振动的计算和校核给出了一系列计算公式和判定准则，但使用范围仅限于管外单一介质均匀流过直管或U形管的问题，对换热管的支撑形式有明确的要求。ASME BPVC-III Appendices中的N-1330章节介绍了流体弹性失稳产生的一些特征，简要给出了推荐公式以及经验常数的选择，但没有对具体问题给出明确的计算方法。

使用上述标准往往会产生以下困难：

1)无法计算管外多种流体介质的问题；

2)无法计算非均匀横向流速的问题；

3)无法计算复杂换热管形状、变跨距支撑形式的问题。

在实际的换热器设计中，往往会遇到一个或多个上述问题。例如在常规火电厂中的蛇形管高压加热器，壳侧的管外流体包括过热蒸汽、饱和蒸汽和过冷水三种，属于多介质问题；过热段、凝结段和疏冷段的流速各不相同，属于非均匀横向流速问题；换热管是蛇形布置的，属于复杂换热管形状问题。

遇到上述问题只能依靠过去的使用经验，在设计上造成不少的困扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种定量分析任意形状平面管束在多种介质非均匀横向流动下的流体弹性失稳问题的计算方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种平面管束流体弹性失稳评定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用换热管的轴线，将换热管简化为三维空间中的一维曲线模型；将一维曲线模型拆分为若干线段，须保证离散线段模型与原模型在几何上基本一致。

在空间中定义三维笛卡儿坐标系，对节点坐标、单元节点编号、节点约束进行列表，以便后续计算。其中，将离散线段定义为单元，将离散线段的端点定义为节点。为了在有限的离散模型下达到更高的计算精度，这里采用二次单元，即单元的节点包括离散线段的两个端点以及线段中点，共三个。

节点坐标列表LOC表示为：

式中，x_i、y_i、z_i分别为第i个节点的x轴、y轴、z轴坐标；

单元节点编号列表NOD表示为：

式中，分别为第e个单元的第1、2、3个节点的编号，第e个单元的第1、2、3个节点为第e个单元的两个端点及一个中间节点；

节点约束列表UROT表示为：