換熱器管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理與防振研究進(jìn)展

換熱器管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理與防振研究進(jìn)展

馮剛

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興312000）

摘要：換熱器內(nèi)管束的流體誘導(dǎo)振動(dòng)所產(chǎn)生的危害嚴(yán)重影響其運(yùn)行的安全性。本文對(duì)近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)管束振動(dòng)機(jī)理的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，說明由于振動(dòng)損壞，傳熱管的平均服役壽命僅達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的一半，同時(shí)系統(tǒng)總結(jié)并提出了防振措施。闡述了隨著換熱器的設(shè)計(jì)趨于大型化和殼程流動(dòng)高速度化，對(duì)換熱器內(nèi)流體誘導(dǎo)振動(dòng)問題的正確分析，成為延長換熱器服役壽命的關(guān)鍵因素之一。指出了未來研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注換熱管束的激振原因，提出了更有效的防護(hù)措施，對(duì)實(shí)際換熱器設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。
    關(guān)鍵詞：換熱器；流體誘導(dǎo)振動(dòng)；固有頻率；防振措施；機(jī)理分析
    中圖分類號(hào)：TK 172文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1000?6613（2012）03?0508?05
    熱量傳遞現(xiàn)象普遍存在煉油、化工、冶金、核電、食品、制藥、輕工、航空及其它工業(yè)領(lǐng)域，作為熱量傳遞的載體，換熱器在現(xiàn)代裝置中占總投資的10%～20%。在眾多不同結(jié)構(gòu)的換熱器中，管殼式換熱器仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位，約占70%[1]。隨著現(xiàn)行的管殼式換熱器使用要求和制作工藝的逐步提高，其外形尺寸也逐漸增大，以滿足不同的生產(chǎn)工作要求。為了提高傳熱系數(shù)，減少污垢、降低熱阻、殼程流動(dòng)高速度化勢在必行，但這將進(jìn)一步凸顯出換熱器內(nèi)流體誘導(dǎo)振動(dòng)問題，對(duì)其抗振性能提出了更高的要求。由于換熱器內(nèi)的流體誘導(dǎo)振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生劇烈的噪聲，這將造成管件損壞[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前因振動(dòng)損壞的換熱器幾乎占損壞總數(shù)的30%。特別是其內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)長徑比較大的管件，其抗震性進(jìn)一步的減弱，將直接影響換熱器的正常功能。因此，大部分振動(dòng)破壞主要是換熱管的機(jī)械損壞。傳熱管的平均服役壽命僅達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的一半[3]。為此，國內(nèi)外的科研工作者針對(duì)換熱器流體誘導(dǎo)振動(dòng)問題，對(duì)其誘振機(jī)理和減振措施展開了諸多的研究與探索。
    本文作者將針對(duì)近年來國內(nèi)外在管束流體誘振機(jī)理方面所取得的研究成果，系統(tǒng)總結(jié)并提出了防振措施，提出了未來研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問題。
    1·換熱器管束振動(dòng)機(jī)理研究現(xiàn)狀   管殼式換熱器在運(yùn)行過程中，殼程流體的流動(dòng)主要有縱向流動(dòng)和橫向沖刷兩種狀態(tài)。由于操作工況具有多變性以及流動(dòng)狀態(tài)的復(fù)雜性，特別是流體在穩(wěn)定狀態(tài)流動(dòng)時(shí)對(duì)管件產(chǎn)生的振動(dòng)、流速的瞬時(shí)變化引起的振動(dòng)以及各內(nèi)部構(gòu)件在工作過程中引起的共振等這些動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)，都會(huì)引起換熱管不同程度的受激振動(dòng)。但縱向流所激發(fā)的振動(dòng)振幅較小，危害性不大，一般情況下可不考慮其對(duì)換熱管的損害，但當(dāng)流體流經(jīng)管道的流速瞬時(shí)變化較大時(shí)，其縱向流激振會(huì)有較大的數(shù)值產(chǎn)生，此時(shí)就應(yīng)考慮[4]。王定標(biāo)等[5]在質(zhì)量流量、來流湍流度和功率譜密度均相同的情況下，對(duì)比研究了縱向流折流柵換熱器與橫向流折流板換熱器內(nèi)流體流動(dòng)所產(chǎn)生的位移響應(yīng)，結(jié)果表明：折流板的振動(dòng)響應(yīng)值之比分別與流進(jìn)管道液體的密度（ρ ）和質(zhì)量（m）、管殼式換熱器管道內(nèi)的液體流動(dòng)速度的平方（v2）成正比，隨著流體的密度、質(zhì)量和流速的變化，其位移相應(yīng)值將成倍的擴(kuò)大。并經(jīng)過對(duì)縱向流折流柵換熱器與橫向流折流板換熱器的一系列實(shí)驗(yàn)分析測得振動(dòng)值，當(dāng)流動(dòng)的速度在6.5～7.5 m/s時(shí)，橫向位移響應(yīng)均方值是縱向位移響應(yīng)均方值的325～335倍之間。結(jié)果表明，當(dāng)換熱器中的流速一旦發(fā)生改變，管道呈縱向排列的換熱器的振動(dòng)位移數(shù)值變化不大，其抗振性能效果比橫向折流板換熱器明顯提高，這是因?yàn)?，橫向流是流體誘導(dǎo)管束振動(dòng)的主要根源，所以在設(shè)計(jì)管殼式換熱器管道內(nèi)部走向時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮縱向流折流柵的換熱器。
    目前，管束內(nèi)的流體在流動(dòng)過程中產(chǎn)生激振的問題有以下幾點(diǎn)：漩渦脫落（vortex shedding）、湍流抖振（turbulence buffeting）、流體彈性激振（fluidelatic instability）和聲振蕩（acousticresonance）。管束流體激振特性的形成分別與換熱器系統(tǒng)內(nèi)的阻尼特性、換熱器系統(tǒng)各組成構(gòu)件的固有頻率以及流體在管束內(nèi)的流動(dòng)因素有關(guān)。各國學(xué)者對(duì)流體激振的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
    1.1漩渦脫落的研究現(xiàn)狀
    由于卡曼渦街[6]現(xiàn)象的存在，在管子背面兩側(cè)產(chǎn)生周期性的反對(duì)稱漩渦尾流，尾流的交替產(chǎn)生與脫落產(chǎn)生于流向的激振力，當(dāng)脫落的頻率接近換熱管的固有頻率時(shí)，將會(huì)引起管束機(jī)械性的共振現(xiàn)象，使換熱器產(chǎn)生較大的機(jī)械破壞。
    以往在進(jìn)行測定卡曼渦街現(xiàn)象數(shù)值時(shí)，運(yùn)用最早的是尾流振蕩模型實(shí)驗(yàn)來分析漩渦脫落誘發(fā)的振動(dòng)原因。但據(jù)目前學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[7-8]，尾流振蕩模型在實(shí)驗(yàn)過程中，其范圍受到一定的限制，當(dāng)雷諾數(shù)在較低的情況下，其理論數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差不大，基本接近；但當(dāng)雷諾數(shù)在較高的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩者數(shù)據(jù)相差甚大。經(jīng)分析，當(dāng)在雷諾數(shù)較大工狀下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，流經(jīng)換熱管后的尾流不呈二維流動(dòng)，而是呈動(dòng)態(tài)的三維隨機(jī)流，是一個(gè)隨機(jī)力函數(shù)，沿整個(gè)換熱管同時(shí)脫落，尾流流動(dòng)呈現(xiàn)出復(fù)雜的隨機(jī)性質(zhì)。尾流作用于換熱管上的載荷也隨機(jī)發(fā)生變化。這就意味著雷諾數(shù)在較高的情況下不能運(yùn)用尾流振蕩模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，否則測定的流體誘導(dǎo)振動(dòng)值會(huì)有不小的差值產(chǎn)生。為了能在動(dòng)態(tài)的情況下測定瞬時(shí)的振動(dòng)值，建立了相關(guān)模型實(shí)驗(yàn)，它的理論基礎(chǔ)由Blevins和Burton提出。在相關(guān)模型實(shí)驗(yàn)中，通過一系列的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證得知：當(dāng)換熱器在較低的雷諾數(shù)的工作環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，其理論數(shù)值與實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)能夠較好地吻合；即使在較高的雷諾數(shù)狀態(tài)下，測定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)值也具有較高的一致性。在這兩種狀態(tài)下，其結(jié)果比運(yùn)用尾流振蕩模型實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)要接近。王定標(biāo)等[5]把隨機(jī)振動(dòng)理論運(yùn)用到工程實(shí)際中，建立了力學(xué)模型，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，最終推導(dǎo)出換熱器管束振動(dòng)隨機(jī)均方根和譜密度之間的關(guān)系，為了更形象地表達(dá)流體激振力的分布情況，繪制了各種工程結(jié)構(gòu)的流體激振力分布狀態(tài)圖，進(jìn)一步分析和驗(yàn)證了采用隨機(jī)振動(dòng)理論能較好地預(yù)測管殼式換熱器管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)。
    王灃浩等[9]提供了熱交換器管束在亞臨界雷諾數(shù)范圍內(nèi)解決復(fù)雜流體誘導(dǎo)振動(dòng)的一種參考方式。根據(jù)雙圓柱管束在并列或串列狀態(tài)下的流體誘導(dǎo)振動(dòng)情況，用表面渦方法對(duì)流體力、振動(dòng)頻率和振動(dòng)響應(yīng)的問題進(jìn)行研究，得出在兩種排列的狀態(tài)下不同管束間隙比及歸一化阻尼參數(shù)的特性：當(dāng)雙圓柱管束在并列狀態(tài)時(shí)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)流體誘導(dǎo)振動(dòng)的影響是最大的，這是由于流體在此狀態(tài)下的脈動(dòng)力系數(shù)為最大，雙剛性圓柱和雙彈性圓柱分離的渦平均力系數(shù)較??；當(dāng)雙彈性圓柱管束在串列狀態(tài)時(shí)，渦脫落的頻率較大并具有屏蔽流，渦脫落頻率值的大小決定于歸一化阻尼，而受管束的間隙比影響較小。
    針對(duì)兩相流誘發(fā)管束振動(dòng)機(jī)理的研究，由于其隨機(jī)產(chǎn)生的復(fù)雜性，相關(guān)的研究目前尚處在初期探索階段，Pettigrew等[10-11]也只對(duì)換熱器管束相互之間的距離、換熱器管束中的含氣率、換熱器在雷諾數(shù)不同情況下的工作狀態(tài)進(jìn)行了有限的研究，同時(shí)對(duì)氣液兩種不同介質(zhì)時(shí)兩相流中串列雙圓柱的誘發(fā)振動(dòng)特性機(jī)理的研究，有助于理解管束中管子之間相互影響機(jī)理，對(duì)于進(jìn)一步研究復(fù)雜管束中的流體誘發(fā)振動(dòng)現(xiàn)象具有重要意義。為此，謝正武等[12]采用雙流體模型對(duì)兩種不同介質(zhì)時(shí)兩相流中串列雙圓柱的流動(dòng)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)氣液兩相流在垂直向上橫向沖刷工況下的順列雙圓柱產(chǎn)生漩渦脫落時(shí)的周向壓力分布及流體作用力變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其研究結(jié)果對(duì)工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。蘇新軍等[13]總結(jié)出管束呈正三角和正方形排列時(shí)，可近似應(yīng)用單相流時(shí)的Weaver曲線作為旋渦脫落誘發(fā)管束振動(dòng)的判別標(biāo)準(zhǔn)，并在實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)特性：管束中流體含氣率的增加會(huì)使兩相流斯特拉赫數(shù)Sttp減??；錯(cuò)列管束呈旋轉(zhuǎn)正三角排列的斯特拉赫數(shù)曲線；兩相流斯特拉赫數(shù)在不同排列形式的錯(cuò)列管束中的特性。以上結(jié)果是在3排錯(cuò)列的直徑為30 mm的有機(jī)玻璃圓柱表面進(jìn)行的旋渦脫落工況試驗(yàn)研究，管束中流體含氣率在0～0.3，兩相隙縫流雷諾數(shù)為2.0×104～6.0×104。
    1.2湍流抖振的研究現(xiàn)狀當(dāng)換熱器內(nèi)流體流動(dòng)的雷諾數(shù)Re＞4000時(shí)，流體出現(xiàn)湍流狀態(tài)，使管道內(nèi)流體產(chǎn)生脈動(dòng)變化，在壓力場和速度場的作用下，將提供給管子持續(xù)的能量，使管子在吸收能量的過程中產(chǎn)生一定頻率的抖動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)湍流脈動(dòng)的主頻率與管子的抖動(dòng)頻率在一定的區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，管子就會(huì)發(fā)生抖振現(xiàn)象。湍流抖振的頻率范圍很寬，它的主頻率會(huì)隨著換熱器管束內(nèi)流速量的增加使振幅增大。當(dāng)換熱器管子間距較大時(shí)，由于這種振動(dòng)不規(guī)律，一般不會(huì)產(chǎn)生共振響應(yīng)[14]；但當(dāng)管子間距較小時(shí)，其振幅的增大會(huì)直接影響換熱器的正常工作，特別是在卡曼漩渦狀態(tài)時(shí)，湍流的影響是主要的。Taylor等[15]經(jīng)過試驗(yàn)研究了汽水兩相繞流管陣時(shí)的湍流抖振現(xiàn)象，對(duì)管陣中心管束的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了測量。Katinas等[16]實(shí)驗(yàn)研究了在流體橫向繞流中流體的湍流度對(duì)管束被流體激振的影響以及線性排列與多排交錯(cuò)排列管束的振動(dòng)特性。其試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)流體的密度較高時(shí)，管束由于流體的湍流壓力脈動(dòng)、管子與流體之間的相互作用以及管子背后的旋渦脫落造成振動(dòng)；并且在管子的固有頻率與旋渦脫落基頻或二倍頻耦合的時(shí)候，管束會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)峰值。當(dāng)湍流度從1%提高到12%的時(shí)候，迎流面第1排管子的振動(dòng)現(xiàn)象會(huì)消失。當(dāng)管陣處于交錯(cuò)排列的狀況時(shí)，管束的振動(dòng)則受到一定的抑制。
    1.3流體彈性激振的研究現(xiàn)狀
    換熱器內(nèi)的管束由于受到流體的湍流和漩渦的作用，會(huì)發(fā)生相對(duì)的振動(dòng)位移，并且具有一定的速度和加速度，改變了管束四周的流場，打破了相近管子上力的平衡狀態(tài)，使其進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)。若能從流體的流動(dòng)中不斷獲取能量，這種機(jī)械耦聯(lián)產(chǎn)生的振動(dòng)狀態(tài)將持續(xù)下去。當(dāng)換熱器內(nèi)流體流動(dòng)的雷諾數(shù)達(dá)到一定值使管子吸收的能量超過其阻尼耗散的能量時(shí)，管束的振動(dòng)幅度將急劇增大，將發(fā)生流體彈性激振現(xiàn)象。這種現(xiàn)象造成的損壞在換熱器機(jī)械損壞中所占的比例較高，在設(shè)計(jì)換熱器的工況過程中，應(yīng)盡量避免管束內(nèi)流體彈性激振現(xiàn)象的發(fā)生。
    在流體彈性激振研究的早期，主要有兩種常用的流體彈性激振的模型：第一種為Connors[17]的位移模型，其認(rèn)為振動(dòng)為流體剛性所控制，提出了擬靜態(tài)流模型；第二種為Lever等[18-19]的流體慣性模型，其認(rèn)為振動(dòng)的激發(fā)是負(fù)流體阻尼力產(chǎn)生。聶清德等[20]通過大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，從不同的角度對(duì)流體慣性模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，并采用該模型對(duì)流體彈性激振機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，經(jīng)過假設(shè)管子的振動(dòng)為周期性的衰減狀態(tài)，建立了管子振動(dòng)的基本方程，通過求解該方程，得出了管束流速穩(wěn)定區(qū)圖，用以確定管束彈性激振的不穩(wěn)定區(qū)域或臨界流速。Granger[21]針對(duì)于工業(yè)中流體橫掠管束的工況，建立了流體彈性不穩(wěn)定的近似模型。此模型運(yùn)用單一自由度的系統(tǒng)，通過利用所求系統(tǒng)的阻尼比等于0時(shí)的速度來預(yù)測臨界流速。而在穩(wěn)定區(qū)域，可以采用球系統(tǒng)的響應(yīng)幅度來近似求取管子的響應(yīng)幅度。
    對(duì)于U形管換熱器，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)研究結(jié)果表明，流體誘導(dǎo)振動(dòng)是導(dǎo)致U形傳熱管破裂失效的關(guān)鍵因素之一。U形管動(dòng)態(tài)參數(shù)中固有頻率和模態(tài)振型是分析傳熱管流體誘導(dǎo)振動(dòng)和采取預(yù)防措施的重要參數(shù)。劉敏珊等[22]采用理論和數(shù)值模擬的方法，歸納出U形管在質(zhì)量隨空間位置非均勻分布和在管內(nèi)外壓力作用下的固有頻率計(jì)算公式，并在各種不同的工作環(huán)境和在不同的條件下對(duì)U形傳熱管的模態(tài)振型、固有頻率進(jìn)行了數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)對(duì)U形傳熱管動(dòng)態(tài)特性影響較大的因素有：U形傳熱管的彎頭曲率半徑、管束支撐板厚度、防振條的剛性支撐點(diǎn)數(shù)、傳熱管工作壓力以及支撐邊界約束的處理模式。對(duì)U形傳熱管動(dòng)態(tài)特性影響較弱的因素有：U形傳熱管的熱膨脹性能、自身質(zhì)量及其質(zhì)量分布的非均勻性和壓力。
    對(duì)于管子表面帶有翅片的換熱器，其應(yīng)用范圍也在逐步擴(kuò)大，與光管系列的換熱器在同等直徑等壁厚的情況下相比，不但其原有的傳熱面積得到了擴(kuò)展，而且其固有頻率比光管低20%左右。為了能分析各種計(jì)算翅片管固有頻率和相應(yīng)的位移響應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式的優(yōu)劣性，朱雨峰[23]運(yùn)用有限元的方法建立翅片管模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得出了翅片管的固有頻率和相應(yīng)的位移響應(yīng)，并采用強(qiáng)迫共振法對(duì)翅片管的固有頻率進(jìn)行了測量，對(duì)其分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，其模擬結(jié)果表明：翅片的間距、高度和厚度對(duì)翅片管的固有頻率有影響，并且在其它參數(shù)不變時(shí)其固有頻率近似呈線性變化。
    對(duì)于換熱器的流體彈性激振的研究，均是傾向于確定一個(gè)所謂的“臨界流速”，使其在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)換熱器過程中采取可控的方法，以避免流體彈性激振，提高換熱管束的穩(wěn)定性和使用壽命。但在換熱器的實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，雖然管束中的瞬時(shí)流速接近或者超出“臨界流速”，并沒有大量導(dǎo)致?lián)Q熱器管束的瞬時(shí)損壞，而大量的振動(dòng)破壞是因?yàn)殚L期振動(dòng)造成的疲勞破壞[24]。
    1.4聲振蕩研究現(xiàn)狀
    當(dāng)換熱器中管束的流體處在漩渦脫離狀態(tài)時(shí)，會(huì)引起管束振動(dòng)，在管束周圍激起彈性波，彈性波沿?fù)Q熱管徑向傳播。由于換熱器的外形基本呈密閉的筒體類狀，彈性波會(huì)在換熱器內(nèi)壁反彈回來，形成一定量的聲學(xué)駐波和機(jī)械波。但由于換熱器為密閉箱體，較難向外傳播，使兩者的能量不斷地積累到一定的數(shù)值之后，會(huì)發(fā)生噪聲和機(jī)械振動(dòng)。聲振蕩的發(fā)生與殼程流體的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)殼程流體為氣體時(shí)，在聲振頻率達(dá)到卡曼渦街頻率或湍流抖振頻率的80%～120%時(shí)，就會(huì)引起共振現(xiàn)象，導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲。而在殼程流體介質(zhì)為液體的情況下，難以發(fā)生聲振蕩現(xiàn)象，是由于聲波在液體中傳播的波長較長，而換熱器殼體直徑有限，難以形成聲學(xué)駐波。
    聶清德等[25]在風(fēng)洞中對(duì)換熱管束的聲振動(dòng)進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)時(shí)湍流抖振主頻率接近于聲頻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)噪聲是因二階聲頻與周期性漩渦頻率一致而引起的。為了消除噪聲，曾試驗(yàn)了兩種消聲結(jié)構(gòu)：一種是無孔隔板，另一種是兩塊多孔板中間夾有一層多孔性材料制成的薄片。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，多孔性材料制成的多孔隔板具有更好的消聲效果。消聲隔板應(yīng)放在接近聲波的波腹處，這樣才能降低分貝值。
    黃政[26]建立了冷凝器結(jié)構(gòu)有限元簡化模型，用有限元/邊界元方法研究了激勵(lì)形式和擋流板位置對(duì)冷凝器輻射聲場的影響。采用不同的激勵(lì)手段，分別對(duì)冷凝器管束的結(jié)構(gòu)輻射聲壓幅值、分布和輻射聲功率曲線進(jìn)行比較，同時(shí)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過對(duì)一系列使冷凝器在低頻區(qū)范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)分析測定得出，當(dāng)其在75 Hz或250 Hz附近工作時(shí)，輻射聲壓值較大，振幅值也較大，從而導(dǎo)致在此區(qū)間工作的冷凝器產(chǎn)生共振，使換熱管造成一定程度的機(jī)械振動(dòng)破壞。為此，換熱器流體誘導(dǎo)振動(dòng)的漩渦脫落頻率應(yīng)采取消減低頻區(qū)工況措施，以提高工作壽命。
    2·換熱器管束防振措施
    近來年，國內(nèi)外的科研工作者在大量實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，提出的換熱器管束防振措施的主要方法是增加換熱管束的固有頻率，并且使殼程流體的流速低于“臨界流速”。工程實(shí)際中主要采用以下方法預(yù)防管束振動(dòng)[27]。
    （1）在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，常常由于操作不當(dāng)使溫度和壓力頻繁波動(dòng)，引起的循環(huán)載荷導(dǎo)致?lián)Q熱管束的疲勞失效。為了提高設(shè)備的疲勞極限，可以通過有效的控制設(shè)備運(yùn)行的開機(jī)和停機(jī)周期，并運(yùn)用相應(yīng)的檢測儀器進(jìn)行在線即時(shí)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常，可及時(shí)改變運(yùn)行狀況；為了避免管束中流體的脈動(dòng)變化過大、流體的流速變化過高和防止液流介質(zhì)直接沖刷換熱器的管束，可以采取在換熱器管束流體入口處設(shè)置防沖板或?qū)Я魍不蚍至髌鞯却胧?br />     （2）在滿足換熱器傳熱效果的前提下，為了防止管束產(chǎn)生振動(dòng)，盡可能降低流體的流動(dòng)速度，使雷諾數(shù)控制在一定的范圍之內(nèi)，降低殼程流體誘導(dǎo)振動(dòng)的頻率，防止出現(xiàn)共振。這是防止管束振動(dòng)的一種比較有效、直接的方法，但需兼顧傳熱效率，二者應(yīng)權(quán)衡考慮。
    （3）防止管束發(fā)生流體彈性激振現(xiàn)象最有效的方法是增加管束的剛性強(qiáng)度，提高其固有頻率。如適當(dāng)增加管子的支撐點(diǎn)，以縮短管子的無支撐跨長，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加相關(guān)構(gòu)件的彈性模量，增大材料的慣性矩，增加管壁和折流板的厚度。在決定管束固有特性的各種設(shè)計(jì)參數(shù)中，管子截面半徑的影響要大于壁厚，故可以增加管子的有效直徑。經(jīng)實(shí)踐證明，折流板管孔直徑略大于換熱管的外徑0.25～0.35 mm，能比較有效地避免管束振動(dòng)。同時(shí)，對(duì)折流板上所有管孔倒一定半徑的圓角，能有效減小管束振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磨損。
    （4）在換熱器中添加縱向隔板來防止聲振動(dòng)，以減少非軸向傳遞的彈性波和機(jī)械波的形成，改變氣柱的聲振動(dòng)頻率和紊流抖振頻率的不同。通過這樣的附加設(shè)置，可以減少振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。具體操作方法是加若干塊縱向隔板于沿流向的殼體內(nèi)，置于聲振動(dòng)波型的波腹位置，用以改變設(shè)備中橫向尺寸的特性長度。
    3·結(jié)語
    國內(nèi)外的科研工作者針對(duì)換熱器管束流體誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究，目前在理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)旋渦脫離激振和流體彈性振動(dòng)的機(jī)理做了大量的研究分析工作，分別取得了一定的進(jìn)展，并提出了一些新的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)指導(dǎo)換熱器的設(shè)計(jì)過程起到了較好的作用。但是由于通過管束間流動(dòng)的復(fù)雜性，流體誘導(dǎo)振動(dòng)時(shí)有非常多的未知因素以及換熱元件的磨損和破壞速度難以準(zhǔn)確計(jì)量、振動(dòng)阻尼的不確定性等的影響，所有這些預(yù)測振動(dòng)的理論與方法各有其局限性。因此還需要提出一些新的思路和方法對(duì)換熱管束的激振原因進(jìn)行更深一步的研究，提出更有效的防護(hù)措施，這樣設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品才能具有更長的使用壽命、更加完善的使用性能和更加安全可靠的操作性。
    參考文獻(xiàn)：略