[发明专利]一种基于ANSYS的充液状态下换热器管束模态分析方法

说明书

一种基于ANSYS的充液状态下换热器管束模态分析方法，涉及到工业中的换热器的设计模拟分析方法技术领域。解决现有换热器的设计过程中忽略了固有频率对热交换影响，容易因流体诱发换热管振动造成的换热器失效事故的技术问题，本发明借助SOLIDWORKS对换热器模型的换热管束与壳体模型进行三维建模操作，并导入到ANSYS WORKBENCH软件中定义换热器结构所用材料的属性；对三维仿真模型进行网格划分，在WORKBENCH软件中的CFX计算模块进行仿真运算得到导热油温度与压力分布特性，在ANSYS WORKBENCH软件中输入求解设置，设置频率提取阶数和求解频率范围；分析液体对结构固有频率和振型的影响，分析充液介质与温度对换热管束结构模态特性的影响，为防止结构的共振提供重要的动力学依据。

技术领域

本发明涉及到工业中的换热器的设计模拟分析方法技术领域。

背景技术

换热器是一种可以将能量在多种流体之间进行传递的工业设备，被广泛应用于电力、交通、石油、冶金、核电、空调制冷等工程领域。在换热器的实际工作中，流体对换热器产生的影响主要有纵向激振和横向冲刷。在实际情况下，振动状态是复杂的，其中有流体的稳定振动，瞬时振动以及各个工作件的共振等，这些都会对换热器产生激振。固有频率计算对于换热器流致振动的研究至关重要，但是，现有在换热器的设计过程中，集中于如何提高传质传热效率，对固有频率目前尚未进行系统研究；此外，对于可能在实际生产过程中产生的振动失效问题以及由此导致的不等频率管阵现象也缺乏足够重视。在换热管的流入和流出的地方，由于局部流速的不稳定，有的地方会有很高的流速，从而会引发振动；在管板区由于换热管缺乏支撑，相对于折流板区这部分区间的长度更大，所以固有频率较小，加上这部分流体的速度快。双重因素的作用下导致了这部分更容易产生共振破坏；处于换热管流体间的任何障碍物都会产生局部的高速，从而这部分区域也容易产生共振破坏。换热器中的部件诸如折流板(折流杆)、壳体、定距杆以及换热管等均以特定的频率和形态进行振动。其中，换热管的固有频率相对较低，在流体冲刷下更容易发生振动，属于换热器中易发生危险工况的结构。

模态分析是用于确定设计中结构或机器部件的振动特性,通过模态分析可以寻求结构的固有频率和主振型,从而了解结构的振动特性,以便更好的利用或减少振动，因此有必要了解结构的固有频率和振型，为防止结构共振破坏、振动疲劳以及评价结构的动态特性和优化结构设计提供一定的依据。叶轮模态分为干模态与湿模态。干模态是指换热器在空气中的模态，湿模态是换热器在流体介质中模态，湿模态问题主要考虑附加流体对于结构的振动特性影响，以及固体结构对流体的作用，是一种强流固耦合问题。由于流体质的附加质量的影响，湿模态特性与干模态特性相比有显著的差别，例如频率等模态参数。而换热器实际工作在导热油环境中，为了研究实际运行工况时的振动，需要考虑换热器湿模态特性，因此，对于工作在导热油环境中的换热器系统来说，湿模态才能将其动力学特性进行真正表征。空气中与流体介质环境中的固有频率可以用式(1)、(2)表示：

式中：f_a、f_w分别表示在干模态、湿模态固有频率；k表示模态刚度；M为模态质量；M_a为附加质量。从式(1)、(2)中可以看出，由于流体介质的附加质量M_a的存在，湿模态频率比在空气中的低。计算换热器湿模态时，以求解结构动力学方程为基础，同时为了体现流体对结构的影响，在求解方程时把流体的质量加到总质量矩阵中，如式(3)所示：

式中：M_s为结构的质量矩阵；M_a为流体的质量矩阵；C为阻尼矩阵；为结构的加速度矢量、为速度矢量，R为位移矢量。