黨鵬飛

摘 要：蒸汽發(fā)生器是核工業(yè)壓水堆中使用非常廣泛，它是一種熱交換設(shè)備。正因如此，它能否安全平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)日常生產(chǎn)起著極為關(guān)鍵的作用，但是近年來由于振動(dòng)使得發(fā)生器失效的情況越來越多。這方面的原因主要有兩個(gè)：一是管束都逐步采用高強(qiáng)度材料，但是材料本身越來越輕薄，剛度越來越小;二是橫掠管束的流速越來越大，造成管束振動(dòng)的振幅也越來越大。正因如此，這個(gè)問題也引起來國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的高度重視，越來越多的人也在從事這方面的研究工作。

關(guān)鍵詞：漩渦脫落;升力系數(shù);斯特魯哈數(shù);流體彈性不穩(wěn)定性

0 概述

流體誘發(fā)振動(dòng)指的是與全部浸入流體或輸送流動(dòng)流體結(jié)構(gòu)的相應(yīng)有關(guān)的各種物理現(xiàn)象。這個(gè)術(shù)語(yǔ)囊括了流體力與結(jié)構(gòu)中的慣性力、阻尼力以及彈性力之間產(chǎn)生相互作用的各種情況，因此至少涉及到三門學(xué)科：①結(jié)構(gòu)力學(xué);②機(jī)械振動(dòng);③流體動(dòng)力學(xué)。

自古以來，人們?cè)缇椭?，在流?dòng)流體中的圓柱體會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。在古希臘，人們就知道，一根導(dǎo)線會(huì)以它自身的固有頻率隨著漩渦脫落而振動(dòng)。然而直到一個(gè)世紀(jì)以前，對(duì)于一個(gè)給定的直徑的圓柱體，才由斯特魯哈建立了漩渦脫落頻率和流動(dòng)速度之間的關(guān)系式。在此之后，各種對(duì)于流體誘導(dǎo)振動(dòng)的研究才真正開始。

目前，在許多領(lǐng)域都存在著流體誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的問題，包括航天工業(yè)、發(fā)電和送變電工程、建筑工程以及海底技術(shù)等。這些問題的發(fā)生，一般源于不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)。在大多數(shù)情況下，用以特定目標(biāo)所設(shè)計(jì)的機(jī)械部件或結(jié)構(gòu)部件在沒有適當(dāng)考慮流場(chǎng)的影響時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)問題，而對(duì)于消除這種有害的振動(dòng)，工程師們有不同的選擇，然而遺憾的是，通常是代價(jià)高昂。

核能反應(yīng)堆工業(yè)存在流體誘發(fā)振動(dòng)的現(xiàn)象由來已久。有些反應(yīng)堆部件會(huì)由于振動(dòng)導(dǎo)致部件失效，最典型的例子就是蒸汽發(fā)生器（如圖1），它可以看做是垂直的單壁管道直通型熱交換器。在1977年的一個(gè)原子能發(fā)電站中，在試運(yùn)行過程中，蒸汽發(fā)生器有6根管道失效，全部發(fā)生在鈉進(jìn)入口前面。為了研究工作的需要，系統(tǒng)又工作了42天，又發(fā)現(xiàn)另外39個(gè)管道發(fā)生泄漏。原因是由于振動(dòng)引起的管道之間的相互碰撞和管道與支承碰撞產(chǎn)生的磨損而造成的典型破壞。

流體誘導(dǎo)振動(dòng)的研究對(duì)象是各種振動(dòng)機(jī)理及流體流動(dòng)中的各種激發(fā)力以及構(gòu)件在這些流體力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過對(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中構(gòu)件上的力及其響應(yīng)的分折，預(yù)測(cè)振動(dòng)模態(tài)、振動(dòng)位置、振幅大小，從而評(píng)估構(gòu)件振動(dòng)的可能性并辨別其原因，以便采取相應(yīng)的有效措施，防止因振動(dòng)而遭受破壞。對(duì)縱向流所激發(fā)的振動(dòng)振幅較小，危害性不大，往往可以忽略，只有在流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常流速的場(chǎng)合，縱向流激振才需考慮。而橫向流在正常流速下就可能引起較大振幅的振動(dòng)，對(duì)傳熱元件危害最大。因此，人們更感興趣的是，橫向流激振的機(jī)理以及以這些為基礎(chǔ)的防止振動(dòng)的方法。很多學(xué)者，從不同的側(cè)面提出了不同的觀點(diǎn)。到目前為止，學(xué)術(shù)界比較認(rèn)同的流體誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理是“漩渦脫離”、“紊流抖振”、“流體彈性不穩(wěn)定”、“聲振蕩”等，簡(jiǎn)要介紹如下。

1 漩渦脫落（Vortex Shedding）

當(dāng)流體橫向流過圓柱體時(shí)，會(huì)在圓柱體的背面兩側(cè)交替產(chǎn)生脫離漩渦，即某一刻某一側(cè)產(chǎn)生漩渦，而另一側(cè)的漩渦恰好與圓柱體脫離;下一時(shí)刻則剛好反過來，產(chǎn)生漩渦的一側(cè)其漩渦長(zhǎng)大、脫離，脫離漩渦的一側(cè)則漩渦重新產(chǎn)生、長(zhǎng)大，這便是所熟悉的“卡曼渦街”現(xiàn)象。當(dāng)一側(cè)產(chǎn)生漩渦時(shí)，相對(duì)于另一側(cè)來說流體阻力增大，流速減慢，即流體動(dòng)能小，則其靜壓能增大，相當(dāng)于產(chǎn)生了一個(gè)作用于圓柱體而垂直于流體流向的橫向推力，下一時(shí)刻產(chǎn)生漩渦的一側(cè)漩渦脫離，脫離漩渦的一側(cè)又產(chǎn)生漩渦，則所產(chǎn)生的橫向推力反向。如此循環(huán)往復(fù)，便產(chǎn)生了一個(gè)作用于圓柱體的交變力，即引起圓柱體（換熱管）振動(dòng)的力。如果漩渦脫離的頻率趨于圓柱體（換熱管）的固有頻率，則可引起共振，形成較大的破壞性。

2 紊流抖振（Turbulence Buffeting）

紊流中脈動(dòng)變化的壓力和速度場(chǎng)不斷供給管子能量，當(dāng)紊流脈動(dòng)的主頻率與管子的固有頻率相近時(shí)，管子吸收能量并產(chǎn)生振動(dòng)。紊流脈動(dòng)的頻率范圍較寬且具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。管子僅在其固有頻率附近產(chǎn)生響應(yīng)。較少導(dǎo)致大范圍的共振響應(yīng)。由紊流抖振引發(fā)的振動(dòng)不很規(guī)律，較少導(dǎo)致大范圍的共振響應(yīng)。因此認(rèn)為，紊流抖振不是導(dǎo)致管子破壞的最主要原因，而是產(chǎn)生流體彈性激振的重要原因。

3 流體彈性不穩(wěn)定（Fluidelatic Instability）

當(dāng)管束中任何一根管子在其原始位置上發(fā)生瞬時(shí)位移，都會(huì)改變周圍的流場(chǎng)，破壞相鄰管子上力的平衡，使相鄰的管子也產(chǎn)生位移而使其處于振動(dòng)狀態(tài)。這種機(jī)械耦聯(lián)產(chǎn)生的振動(dòng)，若能從流體的流動(dòng)中不斷獲取能量，則振動(dòng)狀態(tài)將延續(xù)下去。這就是流體彈性擾動(dòng)引起的振動(dòng)。流體彈性激振一般是由其他誘導(dǎo)振動(dòng)引起管子運(yùn)動(dòng)的情況下產(chǎn)生的，流體速度一旦超過某一臨界值并稍有增加時(shí)振幅即有大幅度增加，流體彈性力對(duì)管束所做功大于管子系統(tǒng)阻尼作用消耗的功，管子的響應(yīng)振動(dòng)振幅將迅速增大。

4 聲振蕩（Acoustic Resonance）

聲振蕩一般由漩渦脫離引起。通過漩渦脫離引起管子振動(dòng)，管子振動(dòng)則激起周圍媒體（彈性體）的彈性波，彈性波沿?fù)Q熱器徑向傳播，到換熱器內(nèi)壁被反射，若換熱器的內(nèi)徑為該機(jī)械波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，則入射波與反射波疊加后形成聲學(xué)駐波。此時(shí)，機(jī)械波難以向外傳播能量，導(dǎo)致能量不斷積累，產(chǎn)生極大的噪音。聲振蕩只發(fā)生在殼程流體為氣體的情況，而對(duì)于殼程流體為液體的情況，由于聲波在液體中的傳播速度很大（波長(zhǎng)很大），而換熱器的直徑不可能太大，故難于滿足駐波形成的條件。

目前，很多研究者圍繞著四種流體誘導(dǎo)振動(dòng)機(jī)理（漩渦脫離、紊流抖振、流體彈性擾動(dòng)、聲振蕩）做了大量的工作，無論是理論還是實(shí)驗(yàn)都取得許多進(jìn)展，提出了不少新的理論解釋與實(shí)驗(yàn)判別式。這些研究在指導(dǎo)換熱器設(shè)計(jì)方面都起到了積極的作用。但必須指出的是，所有這些預(yù)測(cè)振動(dòng)的理論和方法還不足以成功地預(yù)測(cè)換熱器換熱元件的破壞，能說明的只不過是哪些換熱器容易遭受損壞。缺乏預(yù)測(cè)精確性的原因是：①通過管束流動(dòng)的復(fù)雜性（有管束上的橫向流、軸向流、旁通流和泄漏流等多股流路。管束兩端的進(jìn)出口處還存在一定的滯流區(qū)。各流路中流體流速的大小和方向在不斷變化，呈不規(guī)則的非穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，整個(gè)管束處于不均勻力場(chǎng)中，因而管束極易受流體流動(dòng)的各種激發(fā)力而誘發(fā)振動(dòng)）;②流體誘導(dǎo)振動(dòng)時(shí)過多的未知因素;③振動(dòng)阻尼的不確定性;④換熱元件的磨損和破壞速度難以準(zhǔn)確計(jì)量等等。

上述的四種激振機(jī)理，適用于不同的流體流動(dòng)狀態(tài)。其相對(duì)的重要性，可以從表1中看出。

早期的記載換熱器殼程流體誘發(fā)振動(dòng)現(xiàn)象的文獻(xiàn)出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代至50年代，經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，如今這方面的研究成果已經(jīng)非常豐富，大量文獻(xiàn)都提供了預(yù)測(cè)和解決這類問題的方法。這其中包括估算分析模型、完全強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的模型、與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)的半解析模型和完全用于分析和辨識(shí)激振機(jī)理的單純實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?。Paidoussis，Price，Weaver 等人都對(duì)這方面研究的進(jìn)展作出過總結(jié)[1-3]，另外S.S.Chen，Katinas 等人在一些專著中很詳細(xì)地分析了這類問題[4-5]。

流體彈性激振機(jī)理的第一個(gè)研究者是Connors。1970年Connors利用流體剛度控制的機(jī)理，提出擬靜態(tài)流模型，根據(jù)能量平衡分析原理最早提出對(duì)比速度環(huán)薩/與質(zhì)量阻尼參數(shù)之間的定量關(guān)系并用來確定單排管發(fā)生流體彈性不穩(wěn)定臨界流速。這就是最常用的著名Connors公式。1977年Blevins[6]又將此模型推廣應(yīng)用于多排管。嚴(yán)格地講，他們的理論并非真正的解析解，而只是解析解與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合。

關(guān)于換熱器中流體誘發(fā)振動(dòng)的理論研究有很多，Chen[7-8]于1983年提出過用于描述橫流中管束不穩(wěn)定性產(chǎn)生機(jī)理的一般性理論，他指出沒有一個(gè)單獨(dú)的模型可以解釋所有參數(shù)范圍內(nèi)的不穩(wěn)定性現(xiàn)象，因此，要解釋不同參數(shù)條件下的不穩(wěn)定性機(jī)理需要建立不同的研究模型。

參考文獻(xiàn)：

[1]Paidoussis， M.P.. A Review of Flow-Induced Vibrations in Reactor and ReactorComponents[J]. Nucl. Eng. Des.，1983（74）：31-60.

[2]Price， S.F.. A Review of Theoretical Models for Fluid-Elastic Instability of Cylinder Arrays in Crossflow[J]. J. Fluids Struct.，1995（9）：463-518.

[3]Weaver，D.S.， Ziada， S.， et al. Flow-Induced Vibrations in Power and Process? Plant Components-Progress and Prospects[J]. ASMEJ.PressureVessel Technol.，2000（122）：339-348.

[4]Chen， S.. Flow-Induced Vibrations of Circular Cylindrical Structures[M]. New York， Hemisphere，1987.

[5]Katinas， V.， Zukauskas， et al. Vibrations of Tubes in Heat Exchangers[M]. NY，Begell House，1997.

[6]Blevins R D.Flow induced vibration[M].2nd ed.New York： Van Norstrand Teinhold Company，1977.

[7]Chen S.S.. Instability Mechanisms and Stability Criteria of a Group of Circular Cylinders Subjected to Cross-Flow-Part2： Numerical Results and Discussions[J].ASME J. Vib.， Acoust.， Stress， Reliab. Des.，1983，105（1）：253-260.

[8]Cai Y.， Chen S.S.， Chandra S.. A Theory for Fluidelastic Instability of Tube-Support Plate Inactive Modes[J]. ASME J. PVT.，1992（114）：139-148.