卡曼漩涡对换热器的影响
摘 要 对管壳式换热器管束常见的振动破坏形式进行了归纳, 对管束振动的机理进行了分析, 并提出了相应的防振措施
关键词 管壳式换热器 管束 振动 防振措施
管壳式换热器广泛用于化工、炼油、热能动力等工业行业,是一种通用性的过程设备[ 1 ]。为了提高换热性能,应尽可能地提高流速,而流速越高就越容易诱发管束的振动[ 2 ]。据不完全统计,因流体诱导振动引发换热器局部失效甚至整体报废的换热器几乎占损坏的30%。需要在设计中采取必要的措施,使管子对激励的响应限制在安全范围以内,即在换热器的设计寿命期内避免发生由振动引起的破坏。
由于卡曼涡街现象的存在，在管子背面两侧产生周期性的反对称漩涡尾流，尾流的交替产生与脱落产生于流向的激振力，当脱落的频率接近换热管的固有频率时，将会引起管束机械性的共振现象，使换热器产生较大的机械破坏。以往在进行测定卡曼涡街现象数值时，运用最早的是尾流振荡模型实验来分析漩涡脱落诱发的振动原因。但据目前学者研究发现，尾流振荡模型在实验过程中，其范围受到一定的限制，当雷诺数在较低的情况下，其理论数值与实验数据相差不大，基本接近；但当雷诺数在较高的情况下进行实验时，两者数据相差甚大。经分析，当在雷诺数较大工状下进行实验时，流经换热管后的尾流不呈二维流动，而是呈动态的三维随机流，是一个随机力函数，沿整个换热管同时脱落，尾流流动呈现出复杂的随机性质。尾流作用于换热管上的载荷也随机发生变化。这就意味着雷诺数在较高的情况下不能运用尾流振荡模型进行实验，否则测定的流体诱导振动值会有不小的差值产生。
针对两相流诱发管束振动机理的研究，由于其随机产生的复杂性，相关的研究目前尚处在初期探索阶段，Pettigrew 等[ 3 ]也只对换热器管束相互之间的距离、换热器管束中的含气率、换热器在雷诺数不同情况下的工作状态进行了有限的研究，同时对气液两种不同介质时两相流中串列双圆柱的诱发振动特性机理的研究，有助于理解管束中管子之间相互影响机理，对于进一步研究复杂管束中的流体诱发振动现象具有重要意义。
第五章 不可压缩流体的二维流动
引言：在前面几章主要讨论了理想流体和黏性流体一维流动，为解决工程
实际中存在的一维流动问题打下了良好的基础。本章讨论理想不可压流体的
二维有势流动以及二维黏性流体绕物体流动的基本概念。 第一节 有旋流动和无旋流动
刚体的运动可分解为移动和转动两种运动形式，
流体具有移动和转动两种运动形式。另外，由于流体具有流动性，它还具有
与刚体不同的另外一种运动形式，即变形运动(deformationmotion)。本节只
介绍流体旋转运动即有旋流动(rotation—alflow)和无旋流动(irrotational
flow)。
一、有旋流动和无旋流动的定义
流体的流动是有旋还是无旋，是由流体微团本身是否旋转来决定的。流体在
流动中，如果流场中有若干处流体微团具有绕通过其自身轴线的旋转运动，
则称为有旋流动，如果在整个流场中各处的流体微团均不绕自身轴线的旋转
运动，则称为无旋流动。
强调“判断流体流动是有旋流动还是无旋流动，仅仅由流体微团本身是否
绕自身轴线的旋转运动来决定，而与流体微团的运动轨迹无关。” 举例虽然流体微团运动轨迹是圆形，但由于微团本身不旋转，故它是无旋
流动；在图5—1(b)中，虽然流体微团运动轨迹是直线，但微团绕自身轴线
旋转，故它是有旋流动。在日常生活中也有类似的例子，例如儿童玩的活动
转椅，当转轮绕水平轴旋转时，每个儿童坐的椅子都绕水平轴作圆周运动，
但是每个儿童始终是头向上，脸朝着一个方向，即儿童对地来说没有旋转。
二、旋转角速度(rotationalangularvelocity)
为了简化讨论，先分析流体微团的平面运动。如图5—2所示有一矩形流体
微团ABCD在XOY平面内，经丛时间后沿一条流线运动到另一位置，微团
变形成A，B，C，D。
流体微团在Z周的旋转角速度定义为流体微团在XOY平面上的旋转角速度
的
平均值
速度环量是一个标量，但具有正负号。
速度环量的正负号与速度方向和积分时所取的绕行方向有关。后者一般规定
首先提出纸飞机该效应适用范围：在不考虑任何外在气流影响的境况下，（那么飞行过程中就不会出现诸如点头，摇摆等“自发”的偏离矫正现象），会出现在一切因折叠缺陷（重心偏离中线）所致做圆周运动的纸飞机。其中以盘旋着的滞空机为代表。
涡漩效应具体表现:盘旋半径不断减小，飞机逐渐迫近圆心，其自身的倾侧角也不断加大（近心侧低，远心侧高），最终到达圆心位置后旋转着直坠。
我们为什么没有见到过:首先气流条件十分苛刻，我们的滞空机通常会在它的意外帮助下自发矫正。第二就是空间不够，在飞机发展到旋转着直坠这一步前早已落地。
理论依据及其分析:
我们的纸飞机经常会做曲线运动，它的原因可能是多种多样的，但如果忽略气流等外在因素，单纯是飞机自身的不对称致其重心落在中线一侧的话（如大多数滞空机，折叠误差往往使其重心微微侧向一方）那它做的运动可以看作是在水平平面分量内的匀减速圆周运动，其向心力由重力和垂直于翼面的空气阻力的合力的水平分量F充当，这个力是恒定不变的。而由于平行于翼面向后的空气阻力作用，纸飞机的飞行速度v均匀减小，那么由圆周运动向心力的公式F向=mv^2/r得知，随着v的均匀减小，它实际所需的向心力成平方减小。刚刚还说充当向心力的效果力F恒定不变，可它实际需要的F向不断减小，向心力富余了，什么结果？它有迫近圆心的趋势，飞的圈越来越小，最终一头撞像圆心，开始半径为零的自转运动，由于流体的性质和重力作用，它的机头会指向阻力最 小的方向--地面!这是机翼几乎不用起作用，竖直方向阻力极小的它可以看作自由落体!自转+自由落体=旋转着直坠!那些半径始终不减的完美滞空，定有气流帮助或是飞行中的点头、摇摆、翻滚等动作使其相对重心发生了改变。只要你的飞机重心有一点偏离中线，房间内没有任何气流，飞机飞行中也没有点头摇摆翻滚等改变相对重心的行为，“旋转着直坠”是所有盘旋飞行的飞机的最终必然归宿!而我们为什么没有看到呢？因为大多情况重心偏离与平行于翼面的空气阻力并不严重，“旋转着直坠”需要好长时间，而它往往在进行到这一步前就落地了。
漩涡的原理及应用
1. 漩涡的定义
漩涡是指在流体中形成的旋转的涡流结构。它是流体力学中的一种重要现象，广泛存在于自然界和工程实践中。漩涡由于其独特的运动规律和形态，具有广泛的应用价值。
2. 漩涡的形成原理
漩涡的形成和维持是由流体动力学原理决定的。当流体运动中存在不均匀性时，比如流体速度、密度、温度等的分布不均匀，就会形成涡旋结构，即漩涡。
漩涡的形成可以归因于两种主要机制：黏性与非黏性。在完全黏性流体中，漩涡的形成归结于黏性效应。黏性流体中粘滞系数较高的流体层被较低粘滞系数的流体层所替代，形成类似于旋转的涡流结构。
而在非黏性流体中，流体的非线性机制起着决定性作用。流体运动中的非线性性质使得流体颗粒在运动过程中相互作用，产生局部的涡旋。这些涡旋之间的相互影响和扩散最终形成了漩涡。
3. 漩涡的应用领域
漩涡作为流体力学中重要的现象，在许多领域都有着广泛的应用。以下是几个常见的领域：
3.1 流体力学研究
漩涡是流体力学研究中的基础概念之一，深入研究漩涡的形成、演化和行为规律，可以为流体力学领域的发展做出重要的贡献。
3.2 湍流模拟与预测
湍流是一种高度复杂的流动状态，在自然界和工程实践中广泛存在。漩涡作为湍流的基本单元，对湍流的模拟和预测具有重要意义。通过研究漩涡的形成和演化规律，可以更好地理解和预测流体中的湍流现象。
3.3 漩涡发电技术
漩涡在涡动能的转换和利用方面具有巨大的潜力。漩涡发电技术是一种利用漩涡运动产生能量的新兴技术。通过合适的装置和系统设计，可以将流体中的涡动能有效转换为电能，实现可持续能源的利用。 3.4 漩涡在水利工程中的应用
在水利工程中，漩涡现象往往会对工程设施产生负面影响。合理利用漩涡现象，可以在水利工程中进行能量调控、流量控制、河道疏浚等工作，提高水域的可持续利用和环境保护。
3.5 漩涡在气象学中的应用
漩涡现象在大气环流中也具有重要作用。气旋和飓风等大尺度的气象现象都源于漩涡形态。对漩涡的深入研究可以为气象学提供重要的理论基础，并为天气预测和气候变化研究提供有力支持。
