高壓管高壓微振磨損的湍流激勵(lì)功率譜密度研究

高壓管高壓微振磨損的湍流激勵(lì)功率譜密度研究

0湍流激勵(lì)的計(jì)算方法由于stockbahnslimgeml過(guò)程中的震源振動(dòng)包括四個(gè)機(jī)制：流量彈性損失、軸振動(dòng)、水流激勵(lì)和聲音聯(lián)合振動(dòng)。其中，流利激勵(lì)是導(dǎo)致傳熱管輕度磨損的主要原因。解決傳熱管微振磨損問(wèn)題的關(guān)鍵是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)傳熱管的磨損速率,計(jì)算得到傳熱管在湍流激勵(lì)作用下的振動(dòng)幅值是實(shí)現(xiàn)這一步驟的關(guān)鍵。在過(guò)去幾十年間,國(guó)外學(xué)者針對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展了一系列研究,推導(dǎo)得到了較為可靠的計(jì)算湍流激勵(lì)引起的傳熱管振動(dòng)響應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式,在此過(guò)程中,難點(diǎn)逐漸集中于如何準(zhǔn)確獲取傳熱管在不同工況下的湍流激勵(lì)特征及大小。湍流激勵(lì)是類(lèi)似于隨機(jī)激勵(lì)的寬頻激勵(lì),它的特征及量度只能采用隨機(jī)信號(hào)中的相關(guān)函數(shù)及功譜密度等參數(shù)進(jìn)行表征。考慮到管束內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性,試驗(yàn)長(zhǎng)期被視為獲取功率譜密度參數(shù)的唯一可靠的辦法。國(guó)外學(xué)者曾開(kāi)展大量試驗(yàn)進(jìn)行了湍流激勵(lì)功率譜密度的測(cè)試,并試圖找到這一參數(shù)隨傳熱管結(jié)構(gòu)和介質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化的規(guī)律,從而得到經(jīng)驗(yàn)公式用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)計(jì)算。截至目前,在經(jīng)過(guò)一定的處理后,試驗(yàn)測(cè)試得到的功率譜密度具備一定的變化趨勢(shì),但數(shù)據(jù)點(diǎn)仍相當(dāng)分散。為了保證傳熱管磨損計(jì)算精度,國(guó)外對(duì)新型蒸汽發(fā)生器管束均要在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行完整的運(yùn)行工況測(cè)試,以保證設(shè)計(jì)的可靠性。這種方法成本較高且效率有限。近幾年,隨著計(jì)算機(jī)性能的提升和CFD技術(shù)的發(fā)展,國(guó)外出現(xiàn)采用CFD的方法進(jìn)行管束流場(chǎng)計(jì)算的算例,但這類(lèi)計(jì)算的目的通常是為傳熱管流體彈性失穩(wěn)流體力模型提供經(jīng)驗(yàn)系數(shù),輔助流體彈性失穩(wěn)臨界流速的計(jì)算,以節(jié)省流體彈性失穩(wěn)試驗(yàn)的成本?？紤]到流彈失穩(wěn)的計(jì)算方法相對(duì)已趨于完善,相比之下,湍流激勵(lì)還需要進(jìn)一步開(kāi)展研究,因此完全可以借鑒前述管束流場(chǎng)計(jì)算方法,通過(guò)提取流體力對(duì)傳熱管上所受湍流激勵(lì)功率譜密度進(jìn)行預(yù)測(cè),這可以顯著降低試驗(yàn)成本并提高效率。文中建立了三角排列管束流場(chǎng)的數(shù)值模型,基于大渦模擬(LES)模型對(duì)管束內(nèi)部流程進(jìn)行了計(jì)算,通過(guò)提取傳熱管上所受流體力,計(jì)算得到了流體力的相關(guān)函數(shù)及其功率譜密度。結(jié)果顯示,管束內(nèi)部傳熱管所受流體力為具有尖峰特征的寬頻信號(hào),其能量集中在一定帶寬內(nèi),為利用CFD方法解決微振磨損問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。1多個(gè)雷諾數(shù)下單管殼體繞流結(jié)果對(duì)比為驗(yàn)證圓柱繞流計(jì)算對(duì)網(wǎng)格、時(shí)間步長(zhǎng)及邊界條件設(shè)置的要求,本節(jié)首先進(jìn)行了多個(gè)雷諾數(shù)下的單管圓柱繞流計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比基于阻力系數(shù)及斯特羅哈數(shù)兩個(gè)經(jīng)典參數(shù)進(jìn)行。1.1計(jì)算域和建立時(shí)間步長(zhǎng)為了避免進(jìn)出口及壁面條件對(duì)圓柱旋渦脫落的影響,需要對(duì)計(jì)算域尺寸及圓柱體位置進(jìn)行規(guī)定。劃分網(wǎng)格的圓柱體上游入口邊界距離圓柱10D,下游出口邊界距離圓柱20D。與圓柱平行的兩側(cè)壁面距離取15D,圓柱長(zhǎng)度取15D。具體的計(jì)算域及圓柱尺寸如圖1所示,其中圓柱直徑D=20mm。劃分單管計(jì)算域圖網(wǎng)格時(shí),保證y+≤1.0條件對(duì)圓柱壁面網(wǎng)格進(jìn)行劃分,且不同雷諾數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)不同的壁面網(wǎng)格。圓柱壁面附近進(jìn)行了加密,網(wǎng)格比取1.2,且y+<5范圍內(nèi)壁面網(wǎng)格層數(shù)保證至少20層。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置保證庫(kù)朗數(shù)等于1.0,不同雷諾數(shù)對(duì)應(yīng)了不同的時(shí)間步長(zhǎng),如Re=6666時(shí)取時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-3s。圖2示出了雷諾數(shù)Re=6666時(shí)的網(wǎng)格圖。文中雷諾數(shù)Re定義為:式中r,m———介質(zhì)的密度及粘度,此處介質(zhì)為常溫下的水D———圓柱體外徑Ui———計(jì)算域入口流速計(jì)算模型采用速度入口,壓力出口邊界,垂直于圓柱的兩壁面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界,其余壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界。1.2試驗(yàn)結(jié)果和材料參數(shù)考慮到蒸發(fā)器傳熱管真實(shí)節(jié)間流速為0.2~0.4m/s,文中進(jìn)行了0.02,0.1336,0.334m/s三種不同入口流速下的圓柱繞流計(jì)算。3種流速對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)Re分別為400,2667,6666。圖3示出了Re=6666時(shí)的Cd,Cl曲線,圖4示出了Cl的頻譜分析結(jié)果。從圖4可以看出,Re=6666時(shí)圓柱繞流的旋渦脫落頻率fs為3.42Hz。按照公式:計(jì)算得到Re=6666時(shí)的斯特羅哈數(shù)St為0.205。按照公式(3),可以計(jì)算得到阻力系數(shù)Cd=1.16。式中Fd———積分得到的圓柱上所受阻力均方值按照同樣的方法,計(jì)算可得到400,2667,6666三種雷諾數(shù)下的斯特羅哈數(shù)St和阻力系數(shù)Cd。計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果如圖5所示。圖5中試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)。由圖5可以看出,3種雷諾數(shù)下的阻力及斯特羅哈數(shù)計(jì)算誤差均未超過(guò)2%,這說(shuō)明網(wǎng)格劃分及計(jì)算條件的設(shè)置是可靠的。2計(jì)算的管道2.1管束幾何模型文中建立的管束模型為三角形排列,管束幾何結(jié)構(gòu)、尺寸匯總在表1中。網(wǎng)格劃分基于ICEM軟件進(jìn)行。網(wǎng)格劃分過(guò)程中,基于管束三維流場(chǎng)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn),令管壁面y+<1,法向網(wǎng)格比為1.2,以保證計(jì)算精度。管束幾何模型及局部網(wǎng)格如圖6所示。計(jì)算采用速度進(jìn)口、壓力出口,入口流速由0.2,0.5及1.0m/s三種流速,壓力出口設(shè)置為0.5MPa,計(jì)算域垂直于傳熱管的表面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)面邊界,其他面均設(shè)置為無(wú)滑移壁面(non-slipwall)。計(jì)算基于FLUENT中LES模型計(jì)算,LES模型中各經(jīng)驗(yàn)系數(shù)采用默認(rèn)值。如圖6所示,對(duì)管束中間一根管上所受流體力進(jìn)行監(jiān)測(cè),以便于后續(xù)分析。計(jì)算時(shí),通過(guò)改變?nèi)肟诹魉?即改變雷諾數(shù),得到傳熱管上所受立方體方向流體力;文中計(jì)算了3種入口流速(0.2,0.5,1.0m/s)下的流體力。2.2計(jì)算2.2.1管束內(nèi)部傳熱管受升力的影響圖7示出了入口流速為0.5m/s時(shí)的管束內(nèi)部速度矢量圖?？梢钥闯?各根管周?chē)鲌?chǎng)分布基本一致,管束入口處流動(dòng)均勻,這間接證明了計(jì)算模型的可靠性。由于管束較密,管束內(nèi)部均沒(méi)有明顯的旋渦脫落現(xiàn)象,管間流動(dòng)較為規(guī)律,呈較為明顯的流道,但管束出口側(cè)有不規(guī)則的旋渦脫落。當(dāng)管束中橫向流動(dòng)時(shí),傳熱管上承受兩個(gè)方向的力,即升力和拉力,其方向分別為垂直和平行于流動(dòng)方向。升力是導(dǎo)致傳熱管振動(dòng)的主要原因,因此是關(guān)注的重點(diǎn)。圖8示出了3種入口流速(0.2,0.5,1.0m/s)時(shí)被監(jiān)測(cè)傳熱管上所受到的升力隨時(shí)間的變化情況。為在圖中更清楚地區(qū)分出3種工況下升力大小的差異,除1.0m/s工況外,其他兩個(gè)工況的結(jié)果都減去了適當(dāng)值?？梢钥闯?管束內(nèi)部傳熱管所受升力為無(wú)規(guī)則信號(hào),這與單根管時(shí)的周期性信號(hào)形成鮮明對(duì)比。隨流速增加,傳熱管所受升力幅值明顯增加,入口流速由0.5m/s升至1.0m/s后,升力幅值也增加了近1倍。2.2.2初始流速對(duì)傳熱管振動(dòng)的影響基于隨機(jī)振動(dòng)理論,傳熱管受湍流激勵(lì)時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算公式為:式中———計(jì)算得到的傳熱管振幅均方值f1(x)———傳熱管振型函數(shù)SF(f)———湍流激勵(lì)的功率譜密度(PSD),是度量湍流激勵(lì)大小的參數(shù),同時(shí)也是計(jì)算傳熱管振動(dòng)響應(yīng)的關(guān)鍵J12———作用在傳熱管上湍流激勵(lì)的合成相關(guān)度f(wàn)1———傳熱管固有頻率M1———傳熱管單位長(zhǎng)度質(zhì)量此前,功率譜密度的大小只能通過(guò)試驗(yàn)得到,本節(jié)基于CFD結(jié)果進(jìn)行了自功率譜密度的計(jì)算,對(duì)比了流速對(duì)PSD的影響。圖9,10示出了入口流速分別為0.5和1.0m/s時(shí)的湍流激勵(lì)功率譜密度。由圖9,10可以看出,對(duì)管束內(nèi)部傳熱管,雖然由于流動(dòng)較為紊亂,不存在有規(guī)律的旋渦脫落,但流體力的大部分能量仍然集中在某些頻帶上,這些頻帶的中心頻率即旋渦脫落頻率可以通過(guò)經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出。由于進(jìn)行傳熱管的振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算時(shí),傳熱管響應(yīng)為各個(gè)頻帶上功率譜密度與傳熱管固有頻率乘積的積分之和,當(dāng)旋渦脫落頻率與傳熱管固有頻率頻帶重合時(shí),傳熱管具有較大的振幅。因此,即使對(duì)不存在周期性旋渦脫落的密排管束,依據(jù)經(jīng)典公式計(jì)算其旋渦脫落頻率仍然是有意義的,計(jì)算結(jié)果可以用于定性的判斷傳熱管振幅的大小。由于能量分布相對(duì)均勻,相對(duì)于窄頻激勵(lì)(周期性激勵(lì)),旋渦脫落頻率與傳熱固有頻率重合與否,對(duì)傳熱管振動(dòng)響應(yīng)的影響相對(duì)較小。2.3等價(jià)功率譜密度psd的基本形式湍流激勵(lì)是一種寬頻激勵(lì),它的特征是激勵(lì)和響應(yīng)事先不能用時(shí)間的確定函數(shù)描述,類(lèi)似于隨機(jī)激勵(lì),因此通常利用隨機(jī)振動(dòng)理論來(lái)計(jì)算湍流激勵(lì)下的傳熱管振動(dòng)。隨機(jī)激勵(lì)的特征用自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度(PSD)兩個(gè)參數(shù)描述,其中PSD常用符號(hào)SF(f)表示?；诠β首V密度SF(f)計(jì)算傳熱管振幅的經(jīng)驗(yàn)公式如式(4)所示。采用式(4)計(jì)算傳熱管振動(dòng)的前提是,有一個(gè)模態(tài)在傳熱管振動(dòng)占主要地位,小阻尼比,模態(tài)基本分離且相關(guān)長(zhǎng)度大小遠(yuǎn)小于傳熱管自身的尺度。另外,采用式(4)計(jì)算傳熱管振幅時(shí),最大的困難在于合成相關(guān)度J12很難得到,它表征了沿傳熱管長(zhǎng)度方向湍流激勵(lì)力的相關(guān)程度。因此,為了方便工程應(yīng)用,PSD常被描述為等價(jià)功率譜密度(EPSD)的形式:式中———等價(jià)功率譜密度Le,L0———傳熱管實(shí)際長(zhǎng)度及參考長(zhǎng)度此時(shí)式(4)改寫(xiě)為:利用式(6)計(jì)算傳熱管振幅的好處在于,它避開(kāi)了J12這個(gè)難以得到的參數(shù)。EPSD可以利用式(6)和試驗(yàn)測(cè)得的傳熱管振幅反推得到,然后通過(guò)大量試驗(yàn)擬合出經(jīng)驗(yàn)曲線供計(jì)算時(shí)查詢(xún),使用較為方便。目前,利用CFD的方法實(shí)際上僅能得到PSD,如果要用于傳熱管振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算,同樣存在如何得到J12或者EPSD的問(wèn)題?？紤]到CFD方法中可以得到任意一個(gè)區(qū)域上所受的壓力和激勵(lì)力,因此EPSD可以通過(guò)提取沿管長(zhǎng)方向的壓力分布計(jì)算得到。如何利用CFD計(jì)算得到EPSD是下一步研究的重點(diǎn)。3湍流激勵(lì)的功率譜密度建立了管束數(shù)值模型,監(jiān)測(cè)并提取了管束橫向流動(dòng)時(shí)傳熱管所受升力,并計(jì)算了升力的功率譜密度,分析了功率譜密度隨流速的