換熱器管束國內外研究概況

黨鵬飛

摘 要：蒸汽發生器是核工業壓水堆中使用非常廣泛，它是一種熱交換設備。正因如此，它能否安全平穩運行對日常生產起著極為關鍵的作用，但是近年來由于振動使得發生器失效的情況越來越多。這方面的原因主要有兩個：一是管束都逐步采用高強度材料，但是材料本身越來越輕薄，剛度越來越小;二是橫掠管束的流速越來越大，造成管束振動的振幅也越來越大。正因如此，這個問題也引起來國內外專家學者的高度重視，越來越多的人也在從事這方面的研究工作。

關鍵詞：漩渦脫落;升力系數;斯特魯哈數;流體彈性不穩定性

Abstract：The steam generator is very widely used in the pressurized water reactor of the nuclear industry， it is a heat exchange device. Because of this， whether it can be safe and smooth in the daily operation plays a crucial role， but in recent years more and more generator failed due to vibration. The reasons for this are mainly two aspect： First， the tubes are gradually made of high strength material， but the material itself become thinner，which stiffness become smaller in the same time; the flow rate is increasing， resulting in a growing vibration amplitude in tubes. For this reason， this issue also attracted to the high degree of attention of experts and scholars at home and abroad， more and more people are engaged in research in this area.

Keywords：Vortex Shedding;Lift coefficient;Strouha number;Fluidelatic Instability

對于換熱器由于外部流體作用而誘發振動的研究很早就開展了，最早期的文獻距離現在已經過去了近半個世紀，經過很多專家學者的努力，已經積累了很多具有發展潛力的研究成果，而且在很多文獻里都提供了一些見解和解決這類問題的方法[1-2]。目前學界公認的計算模型主要包括估算分析模型、著重描述結構的模型、試驗半解析和單純實驗模型四種。Paidoussis最先對這方面開展了研究，而Price，Weaver則是通過相關試驗和假定進行了總結論證[3-5]。此外，S.S.Chen，還出了一系列專著，并且首次提出了管束間距和斯特魯哈數之間的關系[6]。Katinas[7]則更加進行了較為深入的研究，并得出了一些實驗結論。

在這個領域里，Connors率先對于流體彈性激振進行深入研究。上個世紀70年代他首先做了風洞試驗，并觀察在實驗中物體的振動情況。后來他又提出了擬靜態流模型，這個模型正是利用流體剛度對其控制的機理。它是根據能量平衡分析原理，通過分析對比速度V0/fd與質量阻尼參數mδ/ρd2之間的關系來確定單排管束產生流體彈性不穩定性的臨界流速，這就是很出名的Connors公式[8]。1977年Blevins[9]對此模型進行了進一步的推廣應用。他首次將此模型用于多排管束的彈性激振上，并繪制出了理論和實驗曲線。但是嚴格地講，它并不能作為一個純正的解析解，只能作為兩者數據的一些結合而已。

其實換熱器中流體誘發振動的理論研究了這么多年，也涌現出了一批在這個領域頗有建樹的學者，Chen[10-11]就是這些人當中非常杰出的一位。他于1983年提出過描寫橫向流作用下管束不產生不穩定性的普遍原理，并且指出這么多種不穩定性現象很難通過一個單獨的模型來確定，而要具體情況具體分析。所以如果想要去搞清楚不同邊界載荷條件下的流彈不穩定機理我們就需要去建立很多種不同的模型。雖然他的這一句話只是一個很簡單的概括，但是言簡意賅，從更深刻方面提醒了我們流場中影響因素之多，情況之復雜，需要更加用一個客觀的心態去進行研究理解。Cai等人通過利用非穩態流體狀態下的理論研究了在非恒定流作用下較為松弛的彈性支撐管束的彈性不穩定性，他們于90年代初開展這項工作，但不久之后他們就發現對于這種較為松弛的管束的不穩定性分析，很容易受到靜態管束模型的牽制，所以更應該采用較為符合實際情況的動態管束模型來參與研究不穩定機理[12]。后來到了90年代末，Cai又和Chen[13]開展合作對于之前的理論進行了一定程度上的擴展，還對于橫向單相流作用下采用非線性支撐的圓柱管束由于流體彈性不穩定性所引起的振動，并且通過進行多種類型的分析證明這種振動可能因模型的復雜性不同而產生很多種不相同結論的情況，研究結果也確實表明了對于多根管束振動的多維自由度系統并不能簡單的用單自由度或雙自由度模型來進行簡單模擬簡化，并且提出一定要從根本上對于以前的研究方向進行革新，探索出一些新的路子。真正地突破應該出現在1996年，Eisinger[14]等人利用當時現有的非恒定流的流體理論建立了一種數學模型，它們利用這個模型來替代一根具有代表性的圓柱管束，模擬這根管束在流體中的彈性振動，并且用ABAQUS-EPGEN有限元代碼編寫程序計算出了作用在管束表面的流體彈性力，其結果與文獻中的實驗數據非常吻合。在后來，隨著對流彈失穩的研究越來越深入，實驗條件也是日新月異。在這個時期，由Granger和Paidoussis在研究橫流誘發的管束振動中根據平衡態的轉換提出了準靜態理論，而這正是基于流體的連續性的納威--斯托克斯方程即Navier-Stokes，并研究了橫向流作用下圓柱管陣相關的位移、速度等運動參數，通過搜集相關數據其結果顯示與傳統的實驗數據相比，這個模型更加符合實際情況并可以更為詳細、科學地解釋流體的彈性不穩定性機理[15]。Kassera和Strohmeier也研究了流體誘導振動機理，并發明了一個新的解析模型[16]，利用單元法來計算了很多復雜的流場方程，這其中就包括了湍流，不過他們認為管束的約束是彈性的。Yetisir[17]在1998年，提出了確定管束磨損的新的準則。當然了這個準則是建立在一系列參數之上的，這些參數包括：振動頻率、中跨振幅、跨長、管束質量和磨損經驗系數。他認為激振的產生幾乎全部來自于流體的湍流，他從本質上忽略掉了流體彈性力。1999年，Fischer和Strohmeier設計了一個模型，他們用這個模型來考察橫流下管束之間的穩定性，采取了一個隨時間變化的一系列參數，并創造性地將梁本構理論和摩擦系數之間的關系運動到其中，發現了響應結果幾乎與橫流中作用的兩端固定的管束結果相像。但是，在這個模型當中，他們忽略了管子的排布方式和距離的影響，就好像我們現在在研究室，還要考慮管子布置陣型上的變化一樣。

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