換熱器作為熱量交換的基本設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于電力、交通、石油、冶金、核電、空調(diào)制冷等工程領(lǐng)域，提高換熱器的換熱效率對能源的有效利用和節(jié)能減排具有重要意義。本書針對彈性管束振動強化換熱與疲勞壽命相矛盾的問題，系統(tǒng)論述了彈性管束的固有特性、流體誘導振動及強化換熱間的內(nèi)在聯(lián)系，介紹了分布式脈動流發(fā)生裝置，該裝置主動誘發(fā)和控制彈性管束均勻振動并實現(xiàn)強化換熱。本書匯集了作者多年的研究成果，共分為6章。第1章介紹了彈性管束固有特性，第2章分析了換熱器內(nèi)的流場特性，第3章分析了彈性管束的流體誘導振動，第4章介紹了彈性管束流體誘導振動強化換熱，第5章介紹了分布式脈動流誘導彈性管束振動強化換熱，第6章介紹了彈性管束振動的疲勞強度。
本書可供機械、能源、動力、航空航天、化工、石油、冶金、電子等領(lǐng)域的科技人員參考，也可作為大專院校流體誘導振動相關(guān)專業(yè)師生的參考書。
換熱器作為熱量交換的基本設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于電力、交通、石油、冶金、核電、空調(diào)制冷等工程領(lǐng)域。換熱器的換熱效率對能源的有效利用有直接影響，為提高工業(yè)熱利用率，新型強化換熱技術(shù)不斷涌現(xiàn)。隨著無源強化換熱技術(shù)的不斷發(fā)展，各類新型高效換熱器的換熱效率顯著提高。然而，許多無源強化換熱技術(shù)，其特殊的換熱管束表面處理工序復(fù)雜，導致流阻有所增大，限制了高效換熱器的推廣應(yīng)用。而且，各類新型高效換熱器延續(xù)了傳統(tǒng)的列管式換熱器的剛性直管固支結(jié)構(gòu)，從而不可避免地存在振動破壞。在換熱器的運行中，橫向流在正常流速下就可能誘發(fā)固支管陣較大振幅的振動而導致其破壞，對換熱器的危害極大。在列管式換熱器中，殼程管束排列復(fù)雜，縱向流、橫向流、旁路流、泄漏流等多支路流動極為復(fù)雜，難以精確地計算預(yù)測，導致?lián)Q熱器殼程流體誘導振動破壞一直是影響換熱器使用壽命的難題。傳統(tǒng)的換熱器采用增大傳熱元件剛度的方法避免振動破壞，然而效果并不明顯。目前的彈性管束換熱器克服了剛性固支管束的缺點，允許管束在工作時通過振動實現(xiàn)強化換熱，但各排管束振動的均勻性難以保證。考慮到管束振動在強化換熱方面的積極作用，本書著重介紹利用流體誘導和控制彈性管束振動，實現(xiàn)無源振動強化換熱。本書所介紹的有關(guān)流體誘導振動強化換熱理論，是作者所在研究團隊多年研究成果的總結(jié)。在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃和國家自然科學基金的大力支持下，研究團隊對流體誘導振動強化換熱技術(shù)進行了系統(tǒng)和深入的研究，并得到了國內(nèi)外同行的廣泛認可。因此，作者對相關(guān)研究成果做了系統(tǒng)性總結(jié)，以期對我國換熱器的研發(fā)以及節(jié)能減排工作盡綿薄之力。
本書的內(nèi)容與傳統(tǒng)的換熱器強化換熱書籍的主要區(qū)別表現(xiàn)在：
1）聚焦流體誘導振動強化換熱，系統(tǒng)闡述了流體誘導振動強化換熱機理，闡明了流體誘導振動強化換熱性能，發(fā)展了無源振動強化換熱理論及技術(shù)。
2）利用流體誘導和控制彈性管束振動實現(xiàn)強化換熱，系統(tǒng)并全面地介紹了彈性管束固有特性、振動特性與強化換熱和疲勞強度間的內(nèi)在聯(lián)系，從而為研發(fā)高效換熱器提供理論指導。
3）引入了分布式脈動流裝置，該裝置可以誘發(fā)并控制彈性管束實現(xiàn)預(yù)期振動，從而保證換熱器的高效換熱及使用壽命。
本書共分為6章。第1章介紹彈性管束的固有特性，第2章分析了換熱器內(nèi)的流場特性，第3章分析了彈性管束的流體誘導振動，第4章分析了彈性管束流體誘導振動強化換熱，第5章論述了分布式脈動流誘導彈性管束振動強化換熱，第6章論述了彈性管束振動的疲勞強度。
本書在寫作過程中，參考了閆柯（2007級博士）、宿艷彩（2008級博士）、郭曉婷（2008級碩士）、胡瑞榮（2008級碩士）、孟海濤（2009級碩士）、季家東（2012級博士）、段德榮（2013級博士）、蔡莉莉（2012級碩士）、董蓬萊（2013級碩士）、王安民（2014級碩士）、董延穎（2015級碩士）和王德京（2016級碩士）的博士、碩士學位論文。他們?yōu)榱黧w誘導振動強化換熱技術(shù)的研究做出了重要貢獻，沒有他們的努力工作，本書是不可能完成的，作者在此對他們的辛勤勞動和創(chuàng)造性貢獻表示誠摯的謝意。
本書的研究工作得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）“換熱器內(nèi)流體誘導振動(2007CB206903)”和國家自然科學基金“換熱器殼程分布式脈動流誘導多排彈性管束振動研究（51475268）”的資助，作者在此深表感謝！
流體誘導振動強化換熱是一門新興學科，許多理論并不成熟，加之作者水平所限，書中錯誤與不妥之處在所難免，懇請讀者指正。
前言
第1章彈性管束固有特性1
11流體誘導振動機理1
111漩渦脫落1
112湍流抖振2
113流體彈性激振3
12彈性管束傳熱元件3
121平面彈性管束3
122錐螺旋彈性管束4
13平面彈性管束固有特性數(shù)值計算6
131幾何模型及參數(shù)6
132管束固有振動頻率7
133管束振型7
134結(jié)構(gòu)參數(shù)影響11
14平面彈性管束固有特性試驗12
141試驗?zāi)B(tài)辨識原理12
142錘擊法試驗測試系統(tǒng)12
143激勵點與響應(yīng)點布置14
144參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)處理14
145試驗結(jié)果校驗15
146試驗結(jié)果分析16
15錐螺旋彈性管束固有特性理論分析17
151模態(tài)綜合法求解管束固有頻率17
152計算結(jié)果驗證19
153結(jié)構(gòu)參數(shù)影響20
154多排錐螺旋管束固有特性分析22
16錐螺旋彈性管束固有特性試驗25
161錘擊法試驗測試系統(tǒng)25
162激勵點與響應(yīng)點布置25
163參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)處理27
164試驗結(jié)果校驗27
165試驗結(jié)果分析29
166兩種彈性管束固有特性對比34
17小結(jié)36
參考文獻36
第2章?lián)Q熱器內(nèi)流場分析37
21數(shù)值計算方法37
211基本控制方程37
212流體誘導振動的計算流程及驗證39
22網(wǎng)格劃分及處理42
221彈性管束結(jié)構(gòu)域網(wǎng)格劃分42
222管程流體域網(wǎng)格劃分42
223平面彈性管束殼程流體域網(wǎng)格劃分43
224錐螺旋彈性管束殼程流體域網(wǎng)格劃分47
225分布式脈動流換熱器殼程網(wǎng)格域網(wǎng)格劃分47
23邊界條件設(shè)置51
231管程流體誘導振動51
232殼程流體誘導振動51
233時間及參數(shù)設(shè)置52
24振動強化換熱數(shù)據(jù)處理53
241強化換熱評價準則53
242場協(xié)同理論55
25平面彈性管束管程流場分析56
251管程內(nèi)流體流動56
252管程內(nèi)二次流分布56
26平面彈性管束殼程流場分析60
261單排剛性管束殼程流場速度云圖60
262多排剛性管束殼程流場溫度場分布61
263彈性管束殼程溫度場及速度矢量分布62
264彈性管束殼程流場的場協(xié)同定性分析63
27錐螺旋管束管內(nèi)流動分析64
271管截面主流分析64
272管截面二次流動分析65
273管截面流體溫度分布66
28小結(jié)69
參考文獻69
第3章彈性管束流體誘導振動71
31平面彈性管束流體誘導振動數(shù)值計算71
311流速對振動響應(yīng)的影響71
312管排間距對振動響應(yīng)的影響73
313管排數(shù)對振動響應(yīng)的影響74
32平面彈性管束流體誘導振動試驗76
321試驗裝置及系統(tǒng)76
322換熱器殼體振動測試77
323彈性管束流體誘導振動響應(yīng)78
33錐螺旋管束流體誘導振動理論分析80
331計算模型80
332計算過程81
333計算結(jié)果分析83
34錐螺旋管束流體誘導振動試驗83
341固有模態(tài)測試與分析84
342管束流體誘導振動測試86
35錐螺旋管束管程流體誘導振動理論分析92
351管束有限單元劃分與坐標變換92
352管束單元矩陣與總體矩陣95
353管束固有頻率的計算驗證98
354管程靜止時的固有頻率驗證99
355管程流動對固有頻率的影響100
36兩種彈性管束管程流體誘導振動特性對比102
361平面彈性管束管程流固耦合理論計算102
362兩種彈性管束管程耦合特性比較104
37小結(jié)105
參考文獻106
第4章彈性管束流體誘導振動強化換熱107
41流體誘導振動強化換熱場協(xié)同分析107
411彈性管束的振動軌跡107
412場協(xié)同的定量分析108
413努塞爾數(shù)及場協(xié)同分析110
42流體誘導振動強化換熱性能分析112
421彈性管束管外圓周振動強化換熱分析113
422彈性管束管外局部振動強化換熱分析114
423單根彈性管束振動強化換熱分析115
424流體誘導振動強化換熱的綜合換熱性能116
43結(jié)構(gòu)參數(shù)對流體誘導振動強化換熱的影響118
431管壁厚度對振動強化換熱的影響118
432管間距對振動強化換熱的影響119
433管排距對振動強化換熱的影響121
434流體誘導彈性管束振動強化換熱關(guān)系式122
44錐螺旋彈性管束傳熱特性分析125
441數(shù)值分析模型及參數(shù)修正125
442數(shù)值分析結(jié)果的驗證126
443管束截面形狀對其傳熱性能的影響127
444管束螺距對其傳熱性能的影響129
445管束錐度對其傳熱性能的影響130
446管束傳熱關(guān)聯(lián)式的擬合131
45錐螺旋彈性管束傳熱特性場協(xié)同分析132
451計算結(jié)果驗證133
452計算結(jié)果分析133
46兩種彈性管束的傳熱與阻力性能對比136
47小結(jié)138
參考文獻139
第5章分布式脈動流誘導彈性管束振動強化換熱141
51脈動流及其發(fā)生裝置141
511脈動流的形成141
512脈動流在彈性管束換熱器中的應(yīng)用142
52脈動流的形成分析144
521擾流體的選取144
522分支管流道結(jié)構(gòu)分析148
53分布式脈動流發(fā)生裝置155
531分布式脈動流發(fā)生裝置設(shè)計155
532各分支管脈動流分析157
533分布式脈動流發(fā)生裝置的設(shè)計原則163
54分布式脈動流對彈性管束振動響應(yīng)的影響164
541流體誘導振動測試試驗臺搭建164
542換熱器殼體振動測試165
543殼程流場誘導彈性管束振動測試165
544分布式脈動流誘導彈性管束振動測試168
55分布式脈動流對錐螺旋彈性管束振動響應(yīng)的影響172
551振動測試的基本參數(shù)172
552換熱器殼體及支架的振動測試173
553耦合流場誘導錐螺旋彈性管束振動測試174
56分布式脈動流對彈性管束振動強化換熱的影響175
561彈性管束振動強化換熱分析175
562彈性管束換熱系數(shù)及綜合換熱性能178
57小結(jié)181
參考文獻181第6章彈性管束振動疲勞強度183
61彈性管束的受力分析183
62多軸疲勞強度分析185
63彈性管束疲勞強度分析188
631管壁厚度對彈性管束疲勞強度的影響188
632管間距對彈性管束疲勞強度的影響190
633彈性管束振動強化換熱與疲勞強度綜合分析191
64分布式脈動流誘導彈性管束振動疲勞強度195
65錐螺旋管束應(yīng)力分布196
651錐螺旋管束應(yīng)力分析196
652兩種彈性管束的應(yīng)力強度對比198
66小結(jié)198
參考文獻199
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