Диссертация (1025557), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Поэтому представить какую-то зависимостьэтой частоты от изменениянецелесообразно.Экспериментальные данные измерения частот отрыва вихрей от трубодиночных поперечных рядов и первых рядов в пучках коридорного типасвидетельствуют о некотором совпадении этих частот. Сувеличением продольного относительного шага пучка частота отрыва вихрейот труб первых рядов пучков коридорного типа приближается к частоте отрывавихрей от труб одиночного поперечного ряда (Рисунок 2.6). Измерения,проводимые на неподвижных трубах для оценки частоты вихревого отрывапоказывают, что в глубине пучка она иная, чем в первых рядах.
Частоту отрывавихрей от труб, стоящих в глубинных рядах пучков коридорного типа, можнообнаружить только в случае больших поперечных относительных шагов(). Частота отрыва вихрей от труб, стоящих в глубинных рядах пучковкоридорного типа, зависит и от поперечного и от продольного шага пучка(Рисунок 2.7). Здесь s – расстояние между центрами соседних трубок.30Sh0,610,420,2 1s/d32Рисунок 2.6. Частота отрыва вихрей от труб первых рядов пучка в зависимостиот величины относительных шагов [22]:1 – для шахматных пучков; 2 – для коридорных пучковЕсли известны собственные частоты колебаний пучка трубок вжидкости, то с помощью формулы (2.1) можно определить опасные значенияскорости потока, при которых возможно резонансное возбуждение за счетотрыва вихрей. Сведений о значении гидродинамической силы, связанной сотрывом вихрей в пучке в литературе очень мало [11].
Таким образом,имеющиеся данные позволяют только оценить возможность резонанса трубокв зависимости от параметра пучка.Sh0,4sl/d=1,250,31,52,50,23,50,1123st /d.Рисунок 2.7. Экспериментальная зависимость частоты отрыва вихрей вглубинных рядах коридорных пучков от относительных шагов [22]31Имеющиеся данные о величине Sh в пучках [22] позволяют обеспечитьчастотную отстройку уже на стадии проектирования пучка. По данным работы[126] периодическая составляющая в пульсациях скорости при поперечномобтекании пучков не наблюдается при значениях числа Re> 103.
Для реальныхпучков трубок теплообменников характерен рабочий диапазон Re =103 – 105.На характер обтекания, а также на гидродинамические силы могутвлиять акустические процессы в межтрубном пространстве. Такие процессымогут возникнуть, когда звуковая волна в теплоносителе, и срыв вихрейхарактеризуются близкими по величине частотами, т.е. когда резонанснаяакустическая частота теплообменника близка к характерной частоте отрыва.При этом возможно резонансное взаимодействие акустических процессов иотрывного обтекания трубок, в результате которого происходит синхронизацияотрыва, приводящая к появлению значительной периодической составляющейвозбуждающей силы.
При работе теплообменника в этих условиях слышеншум, а при совпадении резонансной частоты акустических колебаний втеплообменнике с собственной частотой трубок возможна их значительнаявибрация.Такимвозбуждениеобразом,периодическимакустическиевихревымпроцессыотрывом,могутноусиливатьтолькопрификсированных значениях скорости потока, когда выполняются условиярезонансного взаимодействия. Меры борьбы с этим явлением состоят вустановке в межтрубном пространстве дополнительных перегородок илиэкранов, препятствующих возникновению акустического резонанса, или вотказе от работы в режимах, когда такой резонанс возможен.2.4. Гидроупругое возбуждениеМеханизм гидроупругого возбуждения проявляется в быстром ростеамплитуды колебаний трубок при небольшом нарастании скорости течениятеплоносителя выше некоторого критического значения Uс (Рисунок 2.8).Колебания происходят на частоте, практически совпадающей с собственнойчастотой отдельной трубки, а их амплитуда может быть так велика, что32происходят соударения между трубками [81, 82].
Это ведет к износу трубок ивозможно их быстрое разрушение [22, 47, 54, 59, 62, 96, 126]. Если придействии турбулентного возбуждения или возбуждения периодическимвихревым отрывом пучок может работать (уровень вибрации может бытьдопустимым с точки зрения вибронадежности), то в области параметров, гдедействует гидроупругое возбуждение, как правило, колебания происходят снедопустимобольшимиамплитудами,адальнейшеенезначительноенарастание скорости течения теплоносителя вызовет повреждение труб и, какследствие,разрушениепучка.Поэтомупроявлениегидроупругоговозбуждения в рабочем диапазоне параметров недопустимо и являетсяпризнакомнепригодностипучка.Прирасчетахвибронадежностиивибропрочности, в первую очередь, необходимо исключить появлениегидроупругого возбуждения труб, и уж только после этого имеет смыслоценивать вибрационные характеристики труб, проявляющиеся для другихгидродинамических механизмов возбуждения [30, 41].x/dd0,15s0,10,0500,51U/Uc1,5Рисунок 2.8.
Типичная картина быстрого роста относительной амплитудывибрации (x/d) при превышении скоростью потока (U) порога неустойчивости(Uc) для однорядного пучка с s/d=1,41 [47]33Гидроупругиймеханизмизученменьшедругихмеханизмоввозбуждения. В основной части работ, посвященных вопросу гидроупругоговозбужденияпучков,приводятсярезультатынепосредственныхэкспериментальных измерений величины критической скорости по амплитудно–скоростнымхарактеристикам.Приэтомисследуютсязависимостикритической скорости от компоновки поперечного сечения пучка [119], атакже от инерционных, упругих и демпфирующих свойств упругих трубок [22,75, 77, 115].В работах [63, 116, 118] выбран промежуточный подход: здесь дляпучка упругих труб предпринята попытка определить критическую скоростьпотока путем анализа устойчивости одной упругой трубки, расположеннойсреди жестко закрепленных труб.
К использованию такого подхода имеетсятеоретическое и экспериментальное обоснование. Однако, в работах [75, 105]экспериментальнопоказано,чтоскорость,прикоторойдостигаетсягидроупругое возбуждение отдельной упругой трубки, расположенной всередине пучка жестко опертых труб, не соответствует аналогичномуx, ммпараметру для пучка упругих трубок (Рисунок 2.9).U, м/сРисунок 2.9.
Амплитуда вибрации (x) одного трубного ряда с s/d=1,41 приразличных скоростях потока (U) [75]34Вработе[93]произведенообобщениебольшогочислаэкспериментальных результатов. Теоретических работ значительно меньше и вбольшинстве из них явно или неявно принята гипотеза, предполагающая, чтогидроупругое возбуждение есть неустойчивость невозмущенного состоянияупругихтрубок,обусловленнаядействиемдестабилизирующихгидродинамических сил, линейных относительно амплитуд колебаний трубок,и приводящая к автоколебаниям трубок с большой амплитудой [1, 10, 47, 62,85].Следует отметить, что в теоретических подходах, используемыхразными авторами, приняты дополнительные предположения, определяющиенекоторый частный вид дестабилизирующих гидродинамических сил, чтоприводитк противоречиям в результатах этих исследований. Например, вработе [1] предполагается, что дестабилизирующая сила, действующая накаждую трубку в пучке, связана лишь с колебаниями этой трубки внаправлении, перпендикулярном скорости набегающего потока, и не зависитот движения соседних трубок, а в работах [10, 47, 89] полагается, что кгидроупругому возбуждению приводит гидродинамическая связь междусоседними трубками пучка, линейная относительно смещения их осевых линийот невозмущенного положения.
Для определения значений гидродинамическихсил,входящихвуказанныематематическиемодели,необходимадополнительная экспериментальная информация. Для сокращения трудоемкихэкспериментальных измерений характеристик гидродинамических сил невполне обоснованно используются упрощенные способы представлениядестабилизирующих сил. При изучении гидроупругого возбуждения пучка спомощью подхода, предложенного в [1], можно ограничиться исследованиемсил, действующих на отдельную колеблющуюся трубку пучка, а для модели,предложеннойв[47,89],достаточнорезультатовизмерениягидродинамических сил, связанных с перемещением соседних трубок. Вданном случае становится ясно, что совпадения результатов измеренийкритической скорости течения, полученных на основе анализа этих моделей,35быть не может.
Имеются экспериментальные данные, которые не согласуютсяс результатами, полученными с помощью этих математических моделей, либопогрешность их соответствия достаточно велика.Теоретический анализ гидроупругого возбуждения часто проводится наосновании экспериментально подтверждаемой гипотезы,согласно которойполагается, что в области параметров, где действует данный механизмвозбуждения, происходят автоколебания трубок пучка с мягким возбуждением.Начальнаястадиявозникновенияавтоколебанийэтоготипаможетрассматриваться как развитие неустойчивости невозмущенного состояниятрубок пучка.
Поскольку амплитуда автоколебаний при гидроупругомвозбуждении может очень быстро нарастать при незначительном изменениипараметров, например, при небольшом возрастании скорости течения, тоопределение границы области устойчивости невозмущенного положенияосевых линий трубок пучка дает практически достаточную информацию огидроупругомвозбуждении.Такимобразом,разработканастоящейматематической модели гидроупругого возбуждения может быть основана наэтой гипотезе.Из эксперимента [47, 96] известно выражение для критической скоростипотока, при превышении которой возникают вибрации большой амплитуды(выражение предложено Г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
