横流冲刷下换热器管束流体弹性失稳的研究进展

郭 凯，谭 蔚，曹丽琴，张红升

(1.燕山大学 环境与化学工程学院，河北秦皇岛 066004；2.天津大学 化工学院，天津 035000)

0 引言

管壳式换热器因其优良的适应性和低廉的制造价格，在化工、电力等行业中得到广泛应用[1-4]。但管束往往受到壳程流体的横流冲刷，可能会引发管束的流致振动问题。国内外学者针对该问题进行了长达半个多世纪的研究，对其机理进行了详细的剖析，同时给出了许多预测模型和设计建议，为核电蒸汽发生器、化工管壳式换热器等热交换器的设计提供了重要参考。

在ASME 附录N-1300，TEMA第七版和GB/T 151—2014《热交换器》中都有对流致振动的相关规定，一般使用相关标准设计可以避免主要的流致振动失效问题[5-7]。然而管壳式换热器应用的场景具有多样性，壳程的流体状况相当复杂，管束流致振动引发的事故依然常有发生。其中，以流体弹性失稳最为危险。美国SONGS核电站蒸汽发生器发生流体弹性失稳失效，导致3台蒸汽发生器出现不同程度的故障，引发停堆事故并造成了严重的经济损失，这引起了业界对该问题的进一步重视。

随着管壳式换热器的大型化、长寿命化和高参数化发展，换热器的壳程流速不断升高，对流致振动的控制要求也越来越高。该问题的研究包括流体力学试验研究和理论模型的研究，受限于测量和试验手段，许多参数的获取较困难。本文基于管束流体弹性失稳基础研究，结合国内外相关研究现状，对管束流致振动的研究进行系统概括，并对该问题的研究方向进行较为详细的解释，结合笔者自身研究，对未来发展趋势做出预测，可为相关工程设计和科学研究提供理论支持。……