Диссертация (1025557), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В этом случае оценку амплитуд колебаний этих элементовнельзя производить для каждого элемента в отдельности. Поэтому разработкаматематических моделей и инженерных методов для оценки собственныхчастот, форм колебаний пучков труб, расположенных в тепловыделяющих21сборках, как основных элементов активных зон реакторов, является актуальнойи в настоящее время [13].Влияниевязкостинадинамическоевзаимодействиепотокаиконструкции существенно зависит от характера обтекания. Если при обтеканииконструкции пограничный слой жидкости не отрывается, то влияние вязкости,прежде всего, проявляется в потерях энергии при движении конструкцииотносительно жидкости.1.3.
Поток при взаимодействии с многокомпонентными конструкциямитрубных пучковС изменением режимов обтекания изменяется характер распределенияместных скоростей и давление по периметру труб, место отрыва вихрей отповерхности и другие гидродинамические характеристики. В связи с этимизменяются гидродинамические силы, действующие на трубы, сопротивлениетруб и их колебания, возбуждаемые потоком.В пучках с большим относительным поперечным шагом прикритических Re пограничный слой теплоносителя отрывается при том же угле,что и в случае одиночной трубы.
В тесных пучках труб место отрыва ужеопределяется наличием места для формирования вихрей.С дальнейшим ростом Re характер обтекания пучка изменяется. Вмежтрубном пространстве увеличивается степень турбулентности и потокстановится вихреобразным. Изменение режима течения в пучках зависит от ихконфигурации и величины относительных шагов. Если поперечный шаг междутрубами сравнительно мал, то на выходе из предыдущего ряда наблюдаютсяболее высокие значения пульсаций, которые при входе в следующий рядрассеиваютсябыстрее(вследствиеналичияотрицательногоградиентадавления), чем при обтекании пучков труб с большим значением поперечногошага.22Для пучков с небольшим продольным шагом процесс перехода отбольших вихрей к малым происходит в более узком диапазоне чисел Re:мелкие вихри возникают при Re=103. Турбулизация межтрубного течения вэтом случае происходит достаточно быстро.Характерно, что с уменьшением относительного поперечного шагаизменение режима течения происходит при меньших Re.
На режим течения впучках заметно влияет и изменение их продольного шага.В пучках с большими относительными шагами (st/d>1,61, st –расстояние между центрами соседних трубок поперек потока, d – диаметртрубки) распределение местной скорости в первом и глубинном рядах трубмало отличается от аналогичного распределения в случае одиночной трубы. Втесных же пучках (st/d<1,15) это различие резко увеличивается, посколькусоседние трубы деформируют распределение скорости по периметру.Замечается увеличение местной скорости в самом узком сечении между двумятрубами соседних рядов в лобовой и кормовой частях.Эксперименты показывают, что чем теснее пучок, тем быстреепроисходит турбулизация потока, а центральная зона течения жидкостираспространяется до последнего ряда пучка.
В этой зоне энергия пульсацииместной скорости, вызванная отрывом вихрей мала по сравнению с общимуровнем энергий случайных турбулентных пульсаций. Поэтому выделитьхарактерную частоту в спектральной плотности пульсаций местной скорости,соответствующей частоте отрыва вихрей, трудно.Таким образом, в настоящей главе проанализировано поведениежидкости при срывном обтекании одиночных тел и тесных пучков, а такжеобобщены зависимости гидродинамических сил от числа Re в этих случаях.23Глава 2.Анализ механизмов возбуждения колебаний трубных пучков впоперечном потоке жидкости2.1.
Общие сведения о конструкциях теплообменных аппаратовТеплообменный аппарат (Рисунок 2.1) представляет собой один изнаиболее важных компонентов энергетического оборудования. В этом агрегатеможет быть осуществлена передача тепловой энергии от теплоносителя к водедля получения пара высокого давления и температуры. В связи свозможностью получать большие и развитые поверхности теплообмена,большинство изготавливаемых теплообменных аппаратов – трубчатого типа.Теплообменный аппарат имеет плотную компоновку пучков длинных труб сбольшим числом дистанционирующих решеток (промежуточных опор), вкоторые устанавливаются трубы с малыми диаметральными зазорами. Потоктеплоносителявтакихконструкцияхобычнообладаетзначительнойскоростью, высокой температурой.Рисунок 2.1.
Внешний вид теплообменного аппарата на примере подогревателянизкого давленияТеплообменныетехнологическогоаппаратыпроцессаихвсоответствииизготовления,смонтажатребованиямимогутбытьрасположены под некоторым наклоном, горизонтально, либо вертикально.Применяются кожухотрубчатые теплообменники жесткой, нежесткой и24полужесткой конструкции в зависимости от значений температурныхдеформаций труб (градиента температур).Наиболеетеплообменныераспространеныаппаратывпромышленностинепрерывногодействия,вповерхностныесоставекоторыхосновными элементами являются тесно упакованные трубные пучки.На Рисунке 2.2 приведены различные типы повреждений трубтеплообменных аппаратов.изношеннаятрубказамена поврежденной трубки(технология Full Length Tube Liners TM)виды коррозии трубРисунок 2.2.
Виды повреждений труб теплообменных аппаратовВ теплообменном аппарате существуют различные схемы обтекания(поперечная, продольная, циркуляционная) (Рисунок 2.3). Наибольшуюопасность с точки зрения возбуждения интенсивных колебаний представляетслучай,когда пучок труб обтекается поперечным потоком теплоносителя.Такой тип обтекания часто встречается в теплообменниках различногоназначения, т. к. он конструктивно просто реализуем и выгоден с точки зрениятеплофизических и гидравлических процессов в установке.25Рисунок 2.3. Схема обтекания промышленного теплообменного аппаратаХарактеристики обтекания труб определяются компоновкой труб впучке и их конструктивными параметрами.
По типу упаковки в пучки ониподразделяютсянапрямоугольные,коридорные,тетраэдральные,гексагональные (шахматные, ромбические).Реальный пучок труб теплообменника – это система одинаковых,прямых или пространственно изогнутых многопролетных упругих трубок,взаимодействующих с внутренним и внешним потоками теплоносителя.
Вомногих случаях движение трубок пучка можно описывать в рамках балочноймодели Бернулли-Эйлера, а внутренний поток учитывать как дополнительнуюраспределенную массу. В каждом трубном пучке присутствуют оба вида обтекания(продольноеипоперечное),нопоперечноеобтеканиеимеетпреобладающее влияние на параметры динамики и прочности такойгидроупругой системы. Данный вид обтекания представляет наибольшуюопасность с точки зрения гидродинамического возбуждения интенсивныхколебаний.
Такой тип обтекания часто встречается в теплообменниках различного назначения, так как он конструктивно просто реализуем и выгоден сточки зрения теплофизических и гидравлических процессов в установке. Втеоретических и экспериментальных исследованиях поперечного обтеканияобычно модельный пучок, рассматривают как систему параллельных прямолинейных упругих трубок, либо жестких, но с упругим закреплением их концов(Рисунок 2.4).26d=2RstslFYFXнаправление потокаL>>dРисунок 2.4. Фрагмент модельного трубного пучка с действующими на негогидродинамическими нагрузкамиОтдельнуютрубку,обтекаемуюпоперечнымпотоком,можнопредставить как частный случай модельного пучка. Ограничимся анализомслучая, когда влияние внутреннего потока можно учесть теоретически какдополнительную распределенную массу. При этом вместо трубок в модельномпучке могут использоваться стержни.
По всей длине пролета модельного пучкаможетбытьреализованообтеканиепоперечнымпотокомжидкости.Предложенные упрощения делают задачу нагляднее. Исследование модельногопучка дает возможность не только анализировать природу явлений в реальнойгидроупругойсистеме,ноиполучатьнеобходимыеколичественныехарактеристики нагрузок, которые передаются теплоносителем на обтекаемыеим трубы.Исследователиразличаютнесколькофизическихмеханизмоввозбуждения колебаний пучков труб при их поперечном обтекании.
Об этомсвидетельствует характер зависимости амплитуды колебаний поперек потокаАyотскоростипоперечногопотокаU(амплитудно-скоростнаяхарактеристика) на Рисунке 2.5. Здесь же показаны области, в которыхпроявляютсяособенностикаждогоизмеханизмоввозбуждения,–27собственная частота трубки в пучке по первой форме (определение впокоящейся жидкости).Рисунок 2.5. Типичная амплитудно-скоростная характеристика при поперечном обтекании трубного пучка [22]2.2.
Турбулентный бафтингТурбулентное возбуждение или бафтинг проявляется в виде случайныхколебаний упругих трубок пучка, вызываемых широкополосной случайнойгидродинамической силой, характеризующейся широкополосным спектром [9,22, 28, 126]. Эта сила связана с турбулентными пульсациями скорости,возникающими при отрывном обтекании трубок. Наблюдается плавноеувеличение амплитуды колебаний по мере нарастания скорости потока(Рисунок 2.5), а характерная частота вибраций близка к низшей собственнойчастоте изгибных колебаний отдельной упругой трубки с соответствующимзакреплением концов.
Этот механизм действует в широком диапазоне скоростей внешнего потока, но обычно не вызывает колебаний с недопустимобольшой (с точки зрения вибропрочности) амплитудой. Ограничения на интенсивность вибрации при этом определяются требованиями к уровню шумаконструкции [43, 44]. Для теоретических оценок интенсивности вибрации может использоваться модель, описывающая бафтинг как вынужденные колебанияупругойтрубкивжидкостиподдействиемслучайной28гидродинамической силы.
При анализе этой модели необходимы данные овременной спектральной плотности и пространственной корреляционнойфункции этой силы.2.3. Периодический вихревой отрывВозбуждение при периодическом вихревом отрыве приводит кзаметному [6, 22, 48, 70, 71]увеличению амплитуды колебаний трубок всравнительно узком диапазоне скоростей потока в окрестности резонансногозначения (Рисунок 2.5). В этом диапазоне собственная частота труб пучкапрактически совпадает с частотой отрыва вихрей с трубок. Таким образом,происходит резонансное возбуждение трубок в пучке. Довольно хорошоизучено явление вихревого отрыва при обтекании одиночной трубки(кругового цилиндра), которое проявляется в образовании вихревой дорожки и,какследствие,впоявлениивыраженнойпериодическойкомпонентыгидродинамической силы.
Для пучков трубок аналогичное явление менееизучено. Регулярные вихревые образования типа вихревой дорожки в пучкахне наблюдаются, но спектральная плотность пульсации скорости может иметьхарактерный пик, который связан с периодическим вихревым отрывом. Изэкспериментов известно, что определить характерную частоту отрыва вихрей игидродинамической силы можно с помощью числа Струхаля Sh =2fsR/U, где R- внешний радиус поперечного сечения трубки, fs - характерная частота,соответствующая пику в спектре пульсации скорости. Экспериментальноустановлено, что в широком диапазоне чисел Рейнольдса Re = 2 103,...
, 2 105для отдельной трубки число Струхаля принимает значение 0,2. ЗдесьRe= 2RU/v, а параметр v - кинематическая вязкость жидкости. Для пучковчисло Струхаля зависит, главным образом, от геометрии поперечного сечения.Предотвратитьколебания,возникающиеврезультатевозбужденияпериодическим вихревым отрывом, можно методом частотной отстройки повеличине Sh или другими специальными мерами [22, 28, 54].На основе анализа данных по амплитудным максимумам вибраций трубв потоках воды, местных пульсаций скорости потока вблизи поверхности труб29и обобщения результатов работ других исследователей установлено, что длятруб первых рядов в пучках коридорного типа, отрыв вихрей можно описатьуравнением [22]:.Уравнение (2.1) получено при(2.1), где- поперечный шагпучка. С изменением относительного продольного шагачастота отрывавихрей меняется незначительно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
