热电偶套管流体激励动力特性模拟

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护.已有的研究大多是基于输流管道的线性振动模型，仅考虑了各因素的单独作用，得出的某些结论与实际情况有较大差异 J，而基于计算流体动力学(CFD)方法研究热电偶套管受力和涡激振动的文献报道较少.为此，文中采用大涡模拟(LES)方法对管道内流体冲击热电偶套管的非定常流厨行数值模拟，获得热电偶套管的受力和振动情况，并通过对数值模拟结果的分析，验证在热电偶套管前加设流线型挡块的可行性及有效性。

1 热电偶套管断裂原因及改进措施热电偶套管为悬臂式安装，流体介质对套管的波动式冲击载荷在悬臂梁根部通常会产生较大的交变应力，具备疲劳载荷的条件 .流体诱发振动的机理大体可分为旋涡脱落、湍流颤振、流体弹性扰动.涡致振动理论认为：在亚音速横向流中，任何非流线型物体尾部如果有足够的拖迹边缘都会产生旋涡脱落 .当旋涡从物体两侧周期性地交替脱离时，便在物体上产生周期性的升力和阻力 .这种流线谱的变化将引起压力分布的变化，导致施加在物体上流体作用力的大小与方向发生变化，从而诱发物体振动.理论和实践证明，载荷过大和共振是造成热电偶套管断裂的主要原因 。

工程上常采用2种方法来抑制流体激振：-是通过调整结构本身 的动力特性，以错开共振频率 ；二是通过干涉和改变旋涡发生的条件和尾流流态，以减弱流体所产生的激振力.但是这 2种方法均会使阻力增大.此外，还可考虑改变热电偶套管横截面形状，将套管表面加工成流线型，减小阻力系数并使流体不产生旋涡脱落现象.由于套管材质特殊，加工成流线型比较困难 ，这种做法在工程实际中应用较少.目前对热电偶套管的研究工作主要集 中在结构分析方面 J，对热电偶套管的受力和振动频率的研究多以半经验性的理论分析和试验为主”J。

有研究结果表明，均匀流场中串列刚性柱体，当柱间距比L/D<3.5(，J为并列圆柱的中心距，D为柱体的迎流面宽度)时，前柱分离出的剪切层可以重新附着在后柱上，这种情况下，后柱处于前柱的尾流中，使它的阻力系数急剧减小 J.因此，文中考虑在套管前安装-个流线型挡块，固定在起支撑作用的保护圈上，在不增加阻力的情况下减小套管所受冲击力。

2 模型和数值方法文中以插入-石油裂解气管道的热电偶套管为研究对象，考虑无流线型挡块和有流线型挡块 2种情况，分别如图1，2所示.热电偶套管与来流速度成60。夹角，热电偶套管与流线型挡块间距为3 131m，其设计工况和主要参数为管道内径 d0.074 m，流体为石油裂解气，工作温度为 849℃，工作压力P0.096 MPa，流速 170.1 m/s，流体密度 P0.711 kg/m ，黏度IX0.3×10～Pa·s。

图 1 无流线型挡块的热电偶套管Fig.1 Thermowel without streamlined block图2 有流线型挡块的热电偶套管Fig.2 Thermowel with streamlined block在直角坐标系中建立从距离热电偶 1 m处的管道上游至距离热电偶0.6 m处的管道下游的流掣何模型，采用非结构化四面体网格单元划分整个计算区域，其中，热电偶插入管道部位布置了较为密集的网格.采用 LES方法可以获得在较高雷诺数下复杂流场的详细信息 J。

LES方法的控制方程是对 Navier-Stokes方程在波数空间或物理空间中过滤掉比过滤宽度或给定物理宽度小的旋涡，从而得到大涡控制方程： ( )：0P ， (1) - Ot OX击(P )未(P )未(tx差)-嚣- 07ij，(2)式中：下标 ， 为自由指标，i， 1，2，3；p为流体密度； 为时间变量； 为滤波后沿 轴方向的速度分 I 334 I5040Z 3O呈20100 400 800 1 200 l 600 2 000fHz图6 无流线型挡块时套管的作用力脉动频域图Fig.6 Force fluctuation on head surface of thermowell infrequency domain without streamlined block30Z 2O呈l00 400 800 l 200 1 600 2 000dHz图 7 有流线型挡块时套管的作用力脉动频域图Fig.7 Force fluctuation on head surface of thermowel infrequency domain with streamlined block图8 流线型挡块作用力脉动频域图Fig.8 Force fluctuation on surface of streamlinedblock in frequency domain4 结 论为了解决流体激振引起的热电偶套管的断裂破坏问题，采用 LES方法，对热电偶套管前端有、无流线型挡块时热电偶套管周围的非定常流场分别进行了数值模拟和对比分析，得到以下主要结论：1)热电偶套管前端安装流线型挡块可以显著降低流体对热电偶套管的冲击力，从而对热电偶套管起到了保护作用。

2)热电偶套管前端安装流线型挡块后，流线型挡块承受了脉动流体的主要冲击力，使得作用于其后的热电偶套管上的作用力脉动低频振幅明显减小，能量被分散到了更宽的频带上，减轻了流体激振引起的热电偶套管的损坏。