弹性管束湿模态频率变化对传热特性影响分析

俞逸杰，宋继伟，柴小明，侯兰雅，程 林

(山东大学 热科学与工程研究中心, 济南 250061)

弹性管束换热器利用流体诱导管束振动强化传热，并通过系统阻尼使管束自由端的振动得到有效控制[1]。

弹性管束的振动特性直接影响换热器的性能[2]，一直以来，其振幅和振动响应是各学者研究的焦点[3-4]，但是随着对固有频率的深入研究[5-7]，可以发现振动元件的固有频率也是重要的设计参数。事实上，当弹性管束处于一定的流体域时，其湿模态频率[8-9]通常与其固有频率存在差别，并且随着流体物性及运行工况的改变而变化，在设计中忽略这种差异会对换热器的实际运行效果产生影响。为表征换热管外掠流体对其振动特性的影响，换热器设计中会引入附加质量[10]的概念。

本文通过对弹性管束附加质量系数的分析，研究了流体黏度、流速对弹性管束湿模态振动频率及其传热性能的影响。

1 理论分析

弹性管束由四根弯曲半径不同的弹性管以及位于管端的配重块装配而成，如图1所示。其中，Ⅰ、Ⅱ两处为固定端面，Ⅲ、Ⅳ两处为自由端。

在振动计算中，弹性元件的质量是一个重要参数，

图1 弹性换热管束

在涉及弹性元件外部流体动力质量的计算时，由于元件的振动，会使外部流体随振动而发生位移，导致元件表面压力分布发生变化，并以惯性力的形式作用在元件表面。

由于流体黏性的影响，当元件在黏性流体中作加速度运动时，流体力的影响非常明显，使元件增加一个附加质量，若将本文研究对象的振动情况简化为垂直于元件初始平面的面外振动，即沿图1所示的轴线方向振动，受力情况可用式(1)表示[11]。……