数值模拟换热器圆管绕流及旋涡分离频率分析

　　设计计算数值模拟换热器圆管绕流及旋涡分离频率分析赖永星12刘敏珊2董其伍2（1.南京工业大学机械工程学院2郑州大学）演化过程进行了数值模拟。采用绕圆管积分求出一段时间历程的升力，继而求出旋涡脱落频率。

　　通过与传统的卡曼旋涡分离理论进行对比，新提出的数值模拟换热器圆管绕流脱落频率的计算方法与Strouhal数和雷诺数的关系图变化趋势相同，数值接近，说明新方法可用于计算圆管绕流旋涡脱落的频率。在此基础上，可进行圆管绕流旋涡诱导振动计算，为换热器等化工设备的安全运行和节约投资提供可靠数据。

　　河南省科技攻关资助项目（0111031500）。

　　近30年来，随着石油工业、核工业的发展，换热器的使用范围和规格急剧增大，换热器中传热管的流体诱发振动问题日益受到重视，作为振动源，旋涡脱落、紊流抖振、声共鸣和流体弹性激振已成为换热器设计首先考虑的条件。据不完全统计，因振动损坏的换热器几乎占损坏总量的30可见振动已成为换热器损坏的重要因素。然而，流体诱导振动的机理虽经许多科学家大量研究，仍然有很多不清楚和不完善的地方。

　　笔者利用计算流体力学软件AnsysFbtranCFD对粘性不可压缩流体圆管绕流旋涡的产生和演化过程进行了数值模拟。然后采用绕圆管积分求出一段时间历程的升力，继而求出旋涡脱落频率。与传统的卡曼旋涡分离理论进行了对比，二者趋势相同，数值接近，说明本文方法可用于计算圆管绕流旋涡脱落的频率。在此基础上，可进行圆管绕流旋涡诱导振动计算为换热器等化工设备的安全运行和节约投资提供可靠数据。

　　基本方程和数值分析方法对不可压缩粘性流体，在直角坐标系下，其运动规律可用N-S方程来描述，连续性方程和动量方程分别为111 P―流体的密度；v流体的运动速度；p―流体的压力。

　　圆管周围流场利用计算流体力学软件Ansys/FlotonCFD求得，计算采用四节点二维Fluid141单元。数值求解N-S方程时，为了克服数值模拟在高雷诺数时的数值不稳定性，采用了流向迎风（SUPG）法，其对流项为三阶精度，其余项如扩散项等为二阶精度。当雷诺数Re> 30000寸，采用标准k-e模型。

　　数值模拟圆管绕流沿X方向的均匀流绕一固定圆管流动，u为均匀来流的流速，分别考虑了7种流速，2种流体空气和液体水（雷诺数为317.10~43702.28）。圆管直径d=0.022m计算区域范围为0.25mX0.5 m在剖分网格时，充分考虑了流场速度梯度的变化。计算模型的单元数3132个，节点3492个，网格剖分如所示。

　　为节省篇幅，只给出了来流速度u=5.0m/s（Re=7927.25）流体为空气时，旋涡脱落1个周期内4个时刻的速度图和流线图如所示。由可清楚地看出旋涡脱落的演化过程。

　　旋涡脱落频率计算u=5m/s流线图和速度图h（3）直于来流的大宽度。

　　fv――旋涡脱落的频率，Hz斯特劳哈尔（Stiouhal）数与雷诺数的关系如D――圆柱体直径，m.非圆柱体时，为垂所示=nAt时的值；Fd――tn时刻作用在圆管上的阻力；Fl―——n时刻作用在圆管上的升力。

　　为节省篇幅，只给出u=5.0m/s（雷诺数Re=15854.75）时的升力-时间历程，如所示。

　　u=5.0m/s时的升力-时间历程图根据升力的时间历程，即可算出旋涡脱落的频率，列于表1为了验证本文的计算结果，首先根据雷诺数计算式计算雷诺数计算出的雷诺数结果见表1然后将本文方法计算的旋涡脱落频率代入式（3）计算出Strouhal数列于表1根据Strouhal数与雷诺数的关系绘入中。中的为本文计算结果。由可见，本文的计算结果与Strouhal数与雷诺数的关系图趋势基本相同，数值接近，说明本文方法可用于计算圆管绕流旋涡脱落的频率。

　　表1旋涡脱落频率和Strouhal数计算结果注：表1中7种流速中，前6种的流体密度P均为1.29kgm3流体动力粘度均为17.9X10-3mPas后1种流速对应的流体密度P为998.结束语通过与传统的卡曼旋涡分离理论进行对比，本文所采用的圆管绕流旋涡脱落频率的计算方法基本上与Stiouhal数和雷诺数的关系图变化趋势相同，数值接近。说明该方法可用于圆管绕流旋涡脱落频率的计算。在此基础上，可进行圆管绕流旋涡诱导振动计算，为换热器等化工设备的安全运行和节约投资提供可靠数据。