管束结构的流致振动特性研究_冯志鹏

第24卷第12期 V ol.24 No.12 工 程 力 学 2007年 12 月 Dec. 2007 ENGINEERING MECHANICS153———————————————收稿日期：2006-03-25：修改日期：2006-07-16基金项目：国家自然科学重点基金资助项目(50639030)；教育部博士点基金资助项目(20050423002)作者简介：*黄维平(1954)，男，浙江人，教授，博士，博导，主要从事海洋工程研究(E-mail: wphuang@)； 王爱群(1955)，男，山东人，教授，学士，主要从事水利学试验研究(E-mail: ghaq@)；李华军(1962)，男，山东人，教授，博士，博导，院长，主要从事海洋工程研究(E-mail: huajun@).文章编号：1000-4750(2007)12-0153-05海底管道悬跨段流致振动实验研究及涡激力模型修正*黄维平，王爱群，李华军(中国海洋大学海岸与海洋工程研究所，青岛 266071)摘 要：对输送液体的模型管道进行了涡激振动试验研究，试验结果表明：当理论涡脱频率与管道的固有频率不一致时，作用在振荡管道上的涡激力并非简谐扰力，而是具有一定带宽的窄带随机扰力。

因此，管道的涡激振动响应也是一个随机过程。

当理论涡脱频率与管道的固有频率接近时，管道的涡激振动响应逼近简谐振动。

试验结果也表明：作用在振荡圆柱体上的涡激力频率不仅是流速和圆柱体直径的函数，也是圆柱体固有频率的函数。

关键词：海底管道；涡致振动；试验研究；斯特罗哈频率；涡激升力 中图分类号：TU311.3 文献标识码：AEXPERIMENTAL STUDY ON VIV OF SPAN OF SUBSEA PIPELINEAND IMPROVED MODEL OF LIFT FORCE*HUANG Wei-ping , WANG Ai-qun , LI Hua-jun(Institute of Coastal and Offshore Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266071, China)Abstract: Tests for the vortex-induced vibration (VIV) of the models of subsea pipeline with internal flow have been carried out. The results show that if there is a big difference between vortex shedding frequency and natural frequency of cylinder, the lift force acting on oscillating cylinder is a stochastic force with narrow bandwidth and if there is a little difference between them, the response of models is periodic oscillation. It is also revealed that the frequency of vortex shedding on oscillating cylinder will change with not only the velocity of fluid and the diameter of the cylinder, but also natural frequency of the cylinder.Key words: subsea pipeline; VIV; experimental study; Strouhal frequency; lift force浅海石油开发中，由于海底冲刷而导致海底管道出现悬空现象常常困扰油田的安全生产，悬跨段的流致涡激振动将引起管道的疲劳破坏。

第２１卷第６期２０２３年６月动力学与控制学报J O U R N A L O FD Y N AM I C SA N DC O N T R O LV o l ．２１N o ．６J u n ．２０２３文章编号:１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ２１(６)Ｇ００１Ｇ００２D O I :１０．６０５２/１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ０８４㊀２０２３Ｇ０６Ｇ０２收到第１稿,２０２３Ｇ０６Ｇ１８收到修改稿．∗国家自然科学基金资助项目(１１９３２０１１),N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (１１９３２０１１)．†通信作者E Ｇm a i l :q u y e g a o ＠s jt u ．e d u ．c n 流固耦合动力学与控制专题序∗瞿叶高１†㊀王琳２㊀张伟伟３(１．上海交通大学机械与动力工程学院,上海㊀２００２４０)(２．华中科技大学航空航天学院,武汉㊀４３００７４)(３．西北工业大学航空学院,西安㊀７１００７２)摘要㊀围绕管道流固耦合振动建模理论与方法㊁流致振动与控制㊁涡激振动抑制等研究主题,本专刊介绍了流固耦合动力学与控制领域的一些研究成果．关键词㊀流固耦合,㊀流致振动,㊀涡激振动,㊀振动控制中图分类号:O ３２２文献标志码:AP r e f a c e t o t h e S p e c i a l I s s u e :D yn a m i c s a n dC o n t r o l o f C o u p l e dF l u i d ＧS t r u c t u r e S ys t e m ∗Q uY e g a o １†㊀W a n g L i n ２㊀Z h a n g We i w e i ３(１．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,S h a n g h a i J i a oT o n g U n i v e r s i t y ,S h a n gh a i ㊀２００２４０,C h i n a )(２．S c h o o l o fA e r o s p a c eE n g i n e e r i n g ,H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,W u h a n ㊀４３００７４,C h i n a )(３．S c h o o l o fA e r o n a u t i c s ,N o r t h w e s tU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,X i a n ㊀７１００７２,C h i n a )A b s t r a c t ㊀T h i s s p e c i a l i s s u e i n t e n d s t o p r e s e n t t h en e wr e s e a r c h p r o g r e s s e s o f t h e f i e l do f d yn a m i c s a n d c o n t r o l o f f l u i d Ｇs t r u c t u r e i n t e r a c t i o n s ．S p e c i a l t o p i c s i n c l u d i n g d y n a m i cm o d e l i n g m e t h o d s o f p i p e s ,f l o w Ｇi n d u c e dv i b r a t i o na n d c o n t r o l ,a n dv o r t e x Ｇi n d u c e dv i b r a t i o n c o n t r o l a r e c o n s i d e r e d ．K e y wo r d s ㊀f l u i d Ｇs t r u c t u r e i n t e r a c t i o n ,㊀f l o w Ｇi n d u c e dv i b r a t i o n ,㊀v o r t e x Ｇi n d u c e dv i b r a t i o n ,㊀v i b r a t i o n c o n t r o l序言流固耦合动力学是航空㊁航天㊁船舶㊁土木㊁海洋工程㊁轨道交通等领域重大工程和装备设计㊁建造及运行中关注的核心基础性力学问题之一．流体与固体的相互作用诱发的动力学问题不仅影响装备和工程结构的关键性能,还可能引起装备和结构的破坏失效,导致巨大的生命财产损失．如飞行器结构颤振㊁海洋立管涡激振动㊁土木结构风激振动㊁舰艇振动与噪声等诱发的安全和可靠性问题．流固耦合动力学系统具有显著的非线性特征,其动力学现象㊁内在机理与控制等研究受到学术界和工程领域的广泛关注[１－３]．近年来,随着力学与数学㊁材料科学㊁信息科学等深度交叉与融合,在流固耦合力学新现象和机理㊁理论分析㊁数值计算㊁实验技术以及动力学控制方法等方面促生了新的学科增长点,也取得了诸多研究突破．为了及时总结流固耦合动力学领域的最新研究成果,特组织 流固耦合动力学与控制 专刊,共包括９篇论文(含２篇综述论文),涉及流固耦合动力学建模理论与方法㊁管道流固耦合振动与控制㊁涡激振动抑制等研究领域．华中科技大学何毅翔等的«外流作用下管道流动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷固耦合非线性动力学研究进展»梳理了国内外学者在外流作用下管道振动领域的研究成果,重点分析了柔性管道分别在横向外流和轴向外流作用下的流固耦合非线性振动行为,从理论建模㊁仿真分析和实验研究等方面探讨了外部流体对管道动力学行为的影响机制,对当前国内外研究现状进行了简要的总结,并给出了这一研究领域仍存在的难点和挑战．天津大学唐冶等的«输流管道动力学与控制的最新进展»对输流直管/曲管㊁不同外形输流管道㊁复杂支承和约束输流管道㊁运动输流管道㊁内流和外流作用下输流管道㊁多相流输流管道㊁复合材料输流管道动力学特性及输流管道的振动控制等进行了回顾,并对管道流固耦合非线性振动力学模型降维㊁非线性动力学求解方法㊁输流管道宽频振动控制等挑战问题进行了展望．上海交通大学宿恒等的«大变形柔性管道两相流流致振动研究»针对柔性管道内段塞流引起的结构大变形流致振动问题,采用分区强流固耦合方法建立了面向大变形两相流输运管道的双向流固耦合数值计算模型,研究了不同气相表观流速下段塞流诱导的柔性管道大变形流致振动响应特性,分析了柔性管道的振动模态切换特性及管道的大变形振动对两相流流动特性的影响规律．上海大学高思禹等的«热环境中超临界黏弹性输流管道自由振动分析»以热环境中超临界自由振动的输流管道为研究对象,通过广义H a m i l t o n原理建立了两端简支受温度影响的输流管道的控制方程,基于复模态法和伽辽金法离散系统偏微分－积分控制方程,得到热环境下超临界输流管道的模态函数和固有频率,分析了温度增量及初始轴力对管道固有频率的影响规律．上海交通大学赵峰等的«含翼板浮式防波堤消浪性能分析»基于粘性流体理论,采用计算流体力学方法,对新提出的一种含翼板的箱型浮式防波堤和不含翼板的传统箱型浮式防波堤进行了数值模拟,对比分析了两种浮式防波堤的消浪效果㊁运动响应和流场特性．北京航空航天大学罗宸晟等的«涡激旋转下方柱小幅振荡模态的自由流线边界层理论模型»综合钝体绕流的自由流线与边界层理论,建立了流固耦合中方形柱体涡激旋转小幅振荡模态下的自由流线－边界层理论分析模型,并且通过浸没边界法进行数值仿真,分析了小幅振荡模态的主要驱动力,解释了出现周期性振荡的原因．西南石油大学高岳等的«弯曲柔性立管段塞流致振动实验研究»在气液两相流循环实验系统中开展了水动力段塞流诱导的悬链线型柔性立管振动响应测试,利用高速摄像非介入测试方法同步捕捉了柔性立管的振动位移与管内的段塞流动细节,研究了气液混合流速和气液比两个流动参数对柔性立管振动响应的影响,分析了振幅与振频的时空分布㊁管内液塞长度㊁压力波动的变化规律及它们间的内在联系．长沙理工大学罗楚钰等的«基于表面吸气的矩形截面涡激振动抑制及机理研究»采用数值模拟方法研究侧表面双气孔稳定吸气对宽高比为４:１的矩形柱体涡激振动的控制特性,分析了无量纲吸气流量对涡激振动抑制的影响机制和效果．中国核动力研究设计院刘理涛等的«小型模块化压水核反应堆堆内构件模态特性研究»以国内自主研发的小型模块化压水核反应堆堆内构件为研究对象,采用有限元法开展了反应堆堆内构件干模态和湿模态数值建模分析,获得了吊篮组件㊁压紧组件㊁压紧筒组件以及分流环板在空气和静水中的固有频率及相应的振型,并开展模态试验验证了数值模型的正确性．流固耦合动力学与控制的研究内涵和应用领域非常丰富和宽泛．受篇幅所限,本专刊所收录的论文还远不够全面,只能选取某些特定研究方向上的代表性问题进行展示．其他重要方向,如流固耦合动力学数值计算方法㊁实验技术㊁流致振动智能控制及其在航空㊁航天㊁船舶㊁土木㊁海洋工程㊁轨道交通等工程领域应用等研究还有待于进一步完善．参考文献[１]D OW E L L E H,HA L L K C．M o d e l i n g o ff l u i dＧs t r u c t u r e i n t e r a c t i o n[J]．A n n u a lR e v i e w o fF l u i dM e c h a n i c s,２００１,３３(１):４４５－４９０．[２]K AMA K O T IR,S H Y Y W．F l u i dＧs t r u c t u r e i n t e r a cＧt i o nf o ra e r o e l a s t i ca p p l i c a t i o n s[J]．P r o g r e s si nA e r o s p a c eS c i e n c e s,２００４,４０(８):５３５－５５８．[３]P AÏD O U S S I S M P．F l u i dＧS t r u c t u r eI n t e r a c t i o n s: S l e n d e r S t r u c t u r e s a n dA x i a lF l o w:S e c o n dE d i t i o n[J]．E l s e v i e r I n c．,２０１６２。

管壳式换热器管束流致振动实例分析矫明【摘要】Elaborate the vibration mechanism induced by shell and tube heat exchanger tube bundle flow . Based on the Xist and Xvib modules of the HTRI software ,analyze and study the examples of vibration induced by shell and tube heat exchanger tube flow , and compare the advantages , disadvantages and adaptability between the HTRI‐Xist and HTRI‐Xvib analysis .%阐述管壳式换热器管束流致振动的机理，基于HTRI软件的Xist和Xvib模块，进行管壳式换热器管束流致振动实例的分析与研究，并比较了HTRI‐Xist与HTRI‐Xvib分析方法的优缺点及适应性。

【期刊名称】《化工设计通讯》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】4页(P80-83)【关键词】管壳式换热器;振动机理;管束振动分析;HTRI-Xist;HTRI-Xvib【作者】矫明【作者单位】上海核工程研究设计院，上海 200233【正文语种】中文【中图分类】TQ051.5流致振动会引起换热器的额外压力损失、噪声和传热元件的破坏，迄今国内外的大型换热器因振动而导致破坏的实例屡见不鲜，破坏程度十分惊人，已经引起世界各国的普遍重视。

目前，管壳式换热器管束的流致振动问题，已经成为换热器设计人员需要重点考虑的问题之一。

现就流致振动机理进行初步探讨，并结合工程实践，基于HTRI软件，对设计过程中管束流致振动分析方法进行研究。

1 管壳式换热器管束流致振动机理管壳式换热器内流体的运动十分复杂，有管束上的横向流、轴向流、旁通流等；管束两端的进出口有滞留区。

核电厂管壳式换热器流致振动分析发布时间：2021-03-12T07:07:42.136Z 来源：《建筑学研究前沿》2020年25期作者：罗士强[导读] 当随机力的主要振动频率与传热管管束固有频率发生重合时会出现一个振动的最大值，称之为峰值。

福建福清核电有限公司福建福清 350300摘要：为研究管壳式换热器运行时管内流体导致换热器管束振动乃至破裂失效的主要原因，此次研究过程中使用相关的建模工具对换热管进行建模，模拟计算相关参数保证换热器的可靠性，避免因流致振动带来的不利影响。

同时确定了导致换热管束断裂主要原因是由于卡门漩涡脱落及流体弹性不稳定。

并提出针对性解决管束断裂的措施，本文基于近年来国际与国内对于换热器流致振动的重要研究成果，阐述采用计算机等相关工具对换热器进行流致振动仿真的技术路线，对于核电站管壳式换热器的安全运行有借鉴意义。

关键词：管壳式换热器；流致振动；卡门漩涡；流固耦合1 管壳式换热器流致振动主要机理分析1）卡门漩涡在传热管内壳侧的流体以高速横流的形式流过，由此在传热管后方的尾部流体中产生一个周期性交替变化的中心对称漩涡脱落尾流，称为卡门漩涡。

卡门漩涡会使传热管两侧产生一个与流向垂直交替变化的激振力，导致传热管振动。

其振动频率与涡漩脱落频率相等［3］。

2）紊流抖动随机力导致的衰减振动被称之为紊流抖动，传热管是否与其发生共振只与其其固有频率有关，当随机力的主要振动频率与传热管管束固有频率发生重合时会出现一个振动的最大值，称之为峰值。

3）脉动流诱发振动由换热管内流体的脉动而引起的振动是强迫振动的一种。

这种振动类型直至今日还未有完整的理论探讨与实验证明，但是并不能否认其在理论上还是实践上的重要意义。

2 水热管壳式换热器流致振动经验计算以某核电厂内一典型水热管壳式换热器为例，依据国标规定开始分析流致振动。

当壳程流体为液体时，符合下列条件中的任意一条，管束振动就有可能发生：1)卡门涡漩频率与换热管最低固有频率之比大于0.5；2)紊流抖动主频率与换热管最低固有频率之比大于0.5；3)横流速度大于临界横流速度。

文章编号:　1005—0329(2008)05—0039—04经验交流天然气压缩机管路系统气流脉动及管道振动分析刁安娜,王　宇,冯健美,彭学院(西安交通大学,陕西西安　710049)摘　要:　对存在严重振动问题的某天然气压缩机的进气管路进行了气流脉动和管道振动分析,提出了管路调整措施。

通过气流脉动分析,得到了气柱共振频率及其对应的转速,以及出现最大压力脉动幅值的转速和管路位置;通过管道振动分析,获得了管路结构模态和激发响应,从而了解引起管道结构共振的固有频率和激发响应下的最大振动位移。

对改造前后的管路进行了比较分析,结果表明:改造后的管路气流脉动最大幅值从17.65%降低到11.38%,最低结构固有频率从2.6Hz提高到12.2Hz,最大振动幅值从0.393mm减少到0.117mm。

改造后的管路在实际运行中,380r/m in时测得最大振动幅值从0.4mm减少到0.1mm,表明调整措施是合理的。

关键词:　天然气压缩机;气流脉动;管道振动;模态分析中图分类号:　TH45;T B535 文献标识码:　AAna lysis on Ga s Puls a ti on and P i p i n g V i bra ti on i n the P i p i n g Syste m of Na tura l Ga s Co m pressorD I A O An2na,WANG Yu,FE NG J ian2mei,PE NG Xue2yuan(Xi’an J iaot ong University,Xi’an710049,China)Abstract:　The analytical study on the gas pulsati on and p i p ing vibrati on in a natural gas p i peline was p resented,based on which the measures are suggested t o contr ol the excessive vibrati on.W ith the gas pulsati on model established,the natural fre2 quency f or the gas pulsati on is obtained,the maxi m al pulsati on a mp litude t ogether with the positi on is esti m ated,and the shaking forces inducing the vibrati on are calculated.I n the vibrati on analysis,the vibrati on mode and the forced res ponse of the p i p ing syste m are p paris on ass ociated with the pulsati on and vibrati on bet w een the original p i peline and the modified one shows that the maxi m u m p ressure pulsati on in the modified p i peline decreases fr om17.65%t o11.38%,the l owest natural fre2 quency f or structural vibrati on increases fr om2.6Hz t o12.2Hz and the maxi m u m vibrati on amp litude reduces fr om0.393mm t o 0.117mm.Validati on test shows that the maxi m u m vibrati on a mp litude reduces fr om0.4mm t o0.1mm at380r/m in,which indi2 cates that the p i peline modificati on on the basis of pulsati on and vibrati on analysis is reas onable.Key words:　natural gas comp ress or;gas pulsati on;p i p ing vibrati on;mode analysis1　前言天然气压缩机气流脉动激发的管道振动,对天然气集输装置的安全运行具有很大的威胁。

传热管在内外流体及间隙作用下的非线性振动特性冯志鹏;兰彬;臧峰刚;张毅雄;曾忠秀【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2017(051)001【摘要】考虑轴向伸长引起的几何非线性和间隙支撑非线性，利用尾流振子模型模拟了流体力的变化及传热管振动的耦合，基于力平衡法建立了传热管在内外流体和间隙支撑作用下的非线性运动方程，采用4阶Runge‐Kutta算法计算了耦合系统的动力学响应，研究了传热管在内外流体和间隙支撑作用下的非线性响应特性，得到了不同内流速度下以外流速度为分叉参数的分叉图。

结果表明，内流速度对有支撑间隙的传热管耦合系统的动力学特性有重要影响。

【总页数】6页(P133-138)【作者】冯志鹏;兰彬;臧峰刚;张毅雄;曾忠秀【作者单位】中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610213;中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610213;中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610213;中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610213;中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610213【正文语种】中文【中图分类】O322【相关文献】1.外激励作用下不平衡转子系统弯扭耦合非线性振动特性研究 [J], 贾九红;沈小要2.传热管在内外流体作用下的振动特性研究 [J], 冯志鹏;张毅雄;臧峰刚3.海底管道管跨段在内外流体作用下的竖向动力特性研究 [J], 李磊岩;李华军;梁丙臣;王树青4.外磁场作用下磁流体薄层的光学特性研究 [J], 方晓鹏;宣益民;李强5.外磁场作用下磁流体的对流换热特性 [J], 李强;宣益民因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

管束结构的流致振动特性研究冯志鹏;臧峰刚;张毅雄【摘要】In order to investigate the flow induced vibration problems in tube bundles ,a numerical model for fluid‐structure interaction system of an in‐line square tube bundle was presented .The unsteady three‐dimensional Navier‐Stokes equation and LES turbu‐lence model were solved with finite volume approach on structured grids combined with the technique of dynamic mesh . The dynamic equilibrium equation was discretized according to the finite element theory ,and the properties of fluid force and responses for various elastic tube models were studied by several calculations .The results show that tube configurations have an important effect on fluid force and dynamics respond .T he 5‐tube model can basically represent a fl exible tube bundle .T he critical velocity predic‐ted by single tube model is larger than that predicted by flexible tube bundle .Besides ,it show s good qualitative agreement on flow induced vibration behaviors of square bundle with a pitch‐to‐diameter ra tio of 1.5 .%为研究管束结构的流致振动问题，利用有限体积法离散大涡模拟的流体控制方程及有限元方法离散结构动力学方程，结合动网格技术，建立了正方形顺排排列弹性管束流固耦合系统的三维数值模型，并研究了不同弹性管束模型的流体力及振动响应特性。

第36卷第5期2021年10月Vol.36No.5Oct.2021电力学报JOURNAL OF ELECTRIC POWER文章编号：1005-6548（2021）05-0411-10中图分类号：TK172文献标识码：A学科分类号：47040 DOI：10.13357/j.dlxb.2021.050开放科学（资源服务）标识码（OSID）：流致振动主导机理及减振措施的定量分析熊哲文1，杨军2，龚迎莉1，唐卉2，杨海瑞1，张缦1（1.清华大学能源与动力工程系，北京100084；2.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨150046）摘要：近年来大型蒸汽轮机和锅炉在国内外火力发电厂得到了广泛的应用，随之的工程应对的方式是增大换热器的体积、增大平均管跨的距离，与此同时，为提高换热效率，换热器内流体流速同样有所增大，这些改变导致工厂的一些大型换热器经常出现大幅的管束振动，致使换热器的寿命缩短乃至发生破坏问题。

基于实际工作经验，工程上往往通过加装固定板等方式减小振动，但该方式缺乏数据和理论的指导，难以高效地改良换热器、避免类似情况的发生。

以换热器管束为计算对象，以国标GB/T151—2014附录C为理论依据，对不同流体参数、换热器结构参数下导致换热器管束振动的各机理（卡门涡街、湍流抖振、流体弹性不稳定性）的相关参数进行导出，包括卡门涡街和湍流抖振的主频率以及发生共振时的振幅、各部位的流体横流速度及发生流体弹性不稳定时的临界横流速度、换热管的固有频率。

基于振动参数对换热器中流致振动的主导机理进行定量分析，找到最易导致管束振动的机理。

同时通过改变换热器管束的质量、弹性模量、管外径等导出相关振动参数，并分析了换热管结构参数对振动参数的影响，从而找到更高效的减振方案。

壳程为液体流时三种机理几乎在相同条件下都会引发振动，其中，卡门旋涡的流体弹性不稳定危害性相对较大；壳程为气体流时卡门旋涡和湍流抖振更易引发振动，其中，卡门旋涡的流体弹性不稳定危害性相对较大。

管束振动原因及预防换热器振动随着生产规模的扩大，热交换器的尺寸、流体的流速、支承的跨距都随之增大，甚至超过允许的限度，从而降低了管束的刚性，增加了产生振动的可能。

振动可使管子发生泄漏、磨损、疲劳、断裂，甚至伴随着刺耳的噪声，这就不仅降低设备的寿命，也有损于人们的健康。

振动一旦形成事故，往往要花较长时间进行分析和修复。

由于影响振动的因素错综复杂，阻尼作用的大小难以准确估计以及管子磨损和破坏的速度难以确定，对它们还不能用简单的数学公式加以描述等原因，可以说迄今为止的理论计算方法，还不能用在工程实际中准确地分析振动。

有关热交换器的现有规范中，对振动分析方法与防振设计准则也都还缺乏明确的规定。

但是实践已经证明，若能在设计时利用现有的研究成果对振动进行必要的估算、分析，并采取一些防振措施，那么，一些破坏性的振动多半可以避免。

流体诱发振动的原因热交换器的管束属于弹性体，被流过的流体扰动，离开其平衡位置，管子产生振动，这种振动称为流动引起的振动。

实际上每台热交换器在工作时都有或多或少的振动，其振源可能是壳侧或管侧流体流动所引起的振动；流体速度的波动或脉动引起的振动；通过管道或支架传播的动力机械振动等等。

有时振源可能较多，而其中的一个或几个可能是激起振动的主要根源。

有的振源，相对来说容易预测，而流体诱发的振动却比较难以预计。

一些实验和运行经验表明，热交换器的振动主要是壳侧流体的流动所引起，管侧流体流动所引起的振动常可忽略。

一般情况下，在壳侧流体中，与管轴方向平行流动的纵向流所激发的振动的振幅小，由振动造成结构破坏的概率，也比横向流动要小得多。

因此，人们更为关心的是横向流引起的振动问题。

目前巳被公认的导致流体诱发振动的三种不同的原因是：涡流脱落、湍流抖振和流体弹性旋转（或称流体弹性不稳定）。

(1)涡流脱落流体横向流过单根圆柱体时，在较大的雷诺数下，管后尾流中形成的卡门(karman)漩涡（或称卡门涡街）使两列方向相反的漩涡周期性地交替脱落，产生了一定的脱落频率。

科技视界Science&Technology Vision【摘要】为找到一种直管在横向流体冲刷下的流固耦合模拟方法,文章在流场CFD计算中分别采用Transition SST模型、Realizable k-e模型、低雷诺数k-e模型和LES模型四种不同的湍流模型。

文章基于ANSYS Workbench平台,采用动网格技术和双向流固耦合计算方法研究直管在3~7m/s流速范围内的横向冲刷下的流致振动特性,将耦合模拟得到的振动幅值和振动频率与David Schowalter等人的试验结果进行对比分析。

研究结果表明:LES湍流模型对流致振动的模拟精度较高,耦合计算得到的振动幅值与试验值之间的偏差小于5%,振动频率与试验值之间的偏差小于2%。

因此,在流固耦合计算中,LES模型作为湍流模型,能更好地模拟直管在横流冲刷下的流致振动。

【关键词】流固耦合;流致振动;ANSYS Workbench;大涡模拟(LES)模型DOI:10.19694/ki.issn2095-2457.2022.22.130引言流致振动广泛存在于管壳式热交换设备中，流体冲刷传热管所造成的流致振动会对直管结构造成等幅循环载荷，且振动次数较大。

当振动累积的疲劳损伤值达到传热管材料的临界疲劳损伤值时，传热管就会发生破损。

因此传热管的流致振动特性分析可为其使用寿命的预测提供参考。

近年来，随着计算流体力学（CFD）技术的发展，国内外许多学者针对流体冲刷直管引发的流致振动现象做了很多研究。

Williamson等人[1，2]通过圆柱的涡激振动实验，发现了2S、2P、2C之后第四种引起涡激振动的周期性漩涡尾流模式2T，这种模式是在每半个周期内形成三个漩涡，并且所有这些尾流模式都是反向对称的。

m等人[3]基于表面涡模型和流固耦合方法，研究了低雷诺数横流作用下的管束振动特性。

陈德奇等人[4]基于欧拉-伯努利梁理论，采用动网格技术，通过Fluent和Transient Structural实现带格架5×5燃料棒束的双向流固耦合计算，对其振动特性进行模拟研究。

管束结构的阻尼控制型流弹失稳特性研究冯志鹏;臧峰刚;刘帅;黄旋;齐欢欢【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2024(43)1【摘要】尽管自2012年SONGS事故以来,流弹失稳对管束结构的危害性和重要性再次引起了重点关注,但对导致这种不稳定现象的根本因素仍未确定。

为进一步研究流弹失稳的基本物理机制,以压水堆蒸汽发生器通常采用的平行三角形管束为对象,基于开源CFD(computational fluid dynamics)工具OpenFOAM,同时耦合管的动力学方程,求解具有移动边界的非定常Navier-Stokes(uRANS)方程,建立了研究阻尼控制型不稳定机制的数值模型,进而预测管束的流固耦合振动,揭示影响阻尼控制型不稳定机制的关键参数和流动响应;重点讨论了不同质量阻尼参数下,系统的响应特性、能量输入与耗散,升力与位移间的相干性、相位差、相关系数,升力的频谱特性,主导激励机理。

进一步揭示了管束流弹系统中占主导地位的激励机理和关键流动现象,有助于理解管束与流体之间的相互作用机理,同时为工程中使用开源CFD工具OpenFOAM预测流弹失稳行为提供了参考。

【总页数】9页(P83-90)【作者】冯志鹏;臧峰刚;刘帅;黄旋;齐欢欢【作者单位】中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室【正文语种】中文【中图分类】O322【相关文献】1.两相流作用下旋转三角形排列管束流弹失稳振动特性实验研究2.正三角形排列管束结构流弹失稳流体力模型数值研究3.CFD-半解析模型混合的管束结构流弹失稳预测方法4.核电厂蒸汽发生器传热管束流弹失稳评价关键参数分析及实验研究5.管束结构流弹失稳的数值预测方法研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

弹性管涡致振动的理论模型与数值模拟冯志鹏;臧峰刚;张毅雄;余晓菲;叶献辉【期刊名称】《应用数学和力学》【年(卷),期】2014(0)5【摘要】针对弹性管的涡致振动问题,分别在双向流固耦合模拟得到的流体力系数以及尾流振子模型的基础上,采用Euler-Bernoulli梁模型模拟弹性管,得到了弹性管涡致振动的运动方程,提出两种预测弹性管涡致振动的理论模型.首先通过4阶Galerkin方法离散系统的运动方程,采用由双向流固耦合数值模拟得出的流体力数据,预测了弹性管在横向流体作用下的振动响应;其次,引入尾流振子模型模拟弹性管与漩涡脱落间的耦合作用,并将预测结果与流固耦合模拟结果进行了对比分析.结果显示,采用谐和形式流体力的理论模型预测得到的结果偏小,而尾流振子模型能较好地模拟弹性管的涡致振动特性,预测结果比得上双向流固耦合得到的结果,说明尾流振子模型用于弹性管的漩涡脱落诱发振动是可行的和合理的.【总页数】8页(P581-588)【关键词】涡致振动;尾流振子模型;锁定;流固耦合【作者】冯志鹏;臧峰刚;张毅雄;余晓菲;叶献辉【作者单位】中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术国家重点实验室【正文语种】中文【中图分类】O322【相关文献】1.圆柱绕流涡致振动的平面湍流数值模拟 [J], 任安禄;罗雄平;邵雪明;邓见;王焕然2.弹性支撑低质量比圆柱涡激振动数值模拟 [J], 徐俊凌;朱仁庆3.正三角形排列三圆柱绕流与涡致振动数值模拟 [J], 徐枫;欧进萍4.涡致振动型风力压电俘能器流场数值模拟与试验 [J], 文晟;张铁民;杨秀丽;卢玉华;许志林5.基于涡致振动的内置压电悬臂梁柔性圆管能量收集结构的数值模拟 [J], 李莉;林杉杉;王金亮;安然然;路晨贺因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

密排管束流体激振效应的研究换热器在适应大型化、高效率和低成本等要求时,面临着越来越突出的流体诱发振动问题,在长期服役过程中可能产生微动磨损或疲劳损伤。

流体冲击换热管束产生的漩涡脱落力和湍动力极可能成为导致其不稳定的初始条件。

针对这些流体力所导致的流体激振效应对换热器管束的作用规律研究极具应用价值。

本文对节径比为1.28的密排刚性管束进行水洞实验,并研究其所受到的流体力。

通过测定正三角形、转角正方形、转角三角形和正方形四种排布方式管束所受流体力,分析其时域和频域特征、成分结构特征以及来流对流体力的影响。

密排管束所受流体力虽然在时域上幅值随机波动,但在频域上则可体现幅值和频域成分特征,特别是可得到周期成分和随机成分的相对幅值变化。

实验结果表明,在正方形管束中的流体力随机性更强,无明显的准周期特征;在转角正方形管束中的流体力周期性更强,在上游管束中更为明显;转角三角形和正三角形管束中流体力的准周期程度则介于前两者之间。

在本实验的来流雷诺数范围内,在同一根换热管上所受到的湍流激振力系数对来流状况不敏感。

本文利用ANSYS Fluent的大涡模型,计算并分析了与水洞实验相同节径比和管束排布方式条件下的管间流场云图和周期漩涡脱落情况,并和相应的实验结果进行比对来验证数值方法的可靠性。

在此基础上,进一步研究了节径比对管间流场云图和周期漩涡脱落的影响。

研究结果表明,下游邻管所处的位置和角度对周期漩涡脱落形成尾迹的干扰是管束排布对管间流场影响的主要途径,这在转角正方形和正方形排布的管束中尤为明显;随着管间距增大换热管的漩涡脱落受干扰程度逐渐减弱;与漩涡脱落频率相关的斯托罗哈数随着节径比的增大均有减小或者从无到有;在密排管束中,流体力周期成分对来流的雷诺数变化不敏感。

另外,在水洞实验结果的基础上,本文研究了有界噪声模型在流体力功率谱密度低频区域的适用性。

基于对流体力的有界噪声模型进行功率谱密度的无量纲转化、功率谱密度的降噪处理以及在多组雷诺数下功率谱密度的统一处理,本文对斯托罗哈数、低频域的流体力等效幅值以及等效能量方差等相对应的峰值频率、信号幅值以及噪声强度等模型参数进行分析。

高产气井生产管柱非线性流致振动实验研究
闫新江;张晓彤;陈西国;于继飞;张兴全;黄辉;毛良杰
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2024(41)3
【摘要】三高气井生产管柱在高速流体冲击下容易发生剧烈振动,但目前关于此类流致振动的研究大多集中于理论模型和一些小型室内实验阶段。

油气井生产管柱具有其独特性,超大的细长比决定了管柱的整体刚度极低,一般的小型实验系统很难模
拟出这样的特点。

该研究建立了一个大型生产管柱实验台架,用PE管模拟了一个具有超大细长比特征的油管柱模型,用以模拟生产管柱在高速流体冲击下的振动特性。

实验结果表明:三高气井生产管柱在高速流体作用下会以某一固定频率发生振动,振
动时管柱中间和底部位置的振幅最大;气体产量越大,管柱振动越剧烈;增加油管壁厚可以有效抑制油管的振动幅度,但不可以改变管柱的振动频率;封隔器安装位置过高
或过低都不能起到较好的抑制振动的效果,单个封隔器安装在管柱8/10位置可以起到较好的抑制振动的效果。

【总页数】9页(P45-53)
【作者】闫新江;张晓彤;陈西国;于继飞;张兴全;黄辉;毛良杰
【作者单位】中海油研究总院有限责任公司;中海石油(中国)有限公司天津分公司;
西南石油大学石油与天然气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TE38
【相关文献】
1.受非线性支承的板状梁结构流致振动研究
2.高产气井油管柱双重非线性流致振动模型研究
3.高雷诺数条件非线性弹簧下PTC圆柱流致振动数值模拟
4.高温高压高产气井油管柱三维非线性流致振动模型
5.活跃在大国重器中的网版印刷技术(九)
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