热电偶套管流体激振数值分析

Numerical analysis of fluid excitation on a thermowellCHEN Q -guang，JIA Xiang-xing(College of Mechanical&Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266590，China)Abstract： Thermowels are often fractured due to the impact of fluid flow with high temperature and high velocity。

The large eddy simulation technique was utilized to simulate the unsteady internal pipe flow field around a specifiedthermowel1.The force and the vibration of the thermowell induced by the unsteady flow were analysed.An improvedmeasure of setting up an interference equipment in the front of the thermowell was presented to suppress the vibration andreduce the force on the thermowel1.The effect of the improved measure was also verifed.The study would be useful to thestructural optimization design for thermowells。

Key words：thermowell；fluid excitation；interference equipment；large eddy simulation石油化工生产过程中，石油裂解气温度为重要监视与控制参数。测量裂解气温度采用的热电偶可用于高温、高压及有高速流体冲击诚，但须有足够强度套管做保护。理论与实际应用证明，伸入管流中的热电偶套管受流体冲击，载荷过大及流体诱发周期性交变应力是造成热电偶套管断裂的主要原因 。

综合国内外情况，对热电偶套管的研究主要集中于结构分析 J，对热电偶套管受力及振动频率的研究多以半经验性的理论分析和实验为主 。基于计算流体力学(CFD)方法研究热电偶套管受力及涡激振动的文献较少。本文采用大涡模拟(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及振动情况，并通过对数值模拟结果分析，验证本文提出的抑制热电偶套管振动、减小受力措施的有效性。

基金项 目：山东拾泰山学者”建设工程专项经费资助项目；教育部科学研究重点项目(209070)收稿 日期：2012-叭 -l3 修改稿收到日期 ：2012-03-21第-作者 陈庆光 男，博士，教授，1969年生1 研究现状与改进措施热 电偶套管受 流体 冲击 时，流体作 用力计算式 为：口，2FDCDAnp (1)二式中：C。为阻力系数；A。为热电偶套管在来流方向的投影面积，m ；p为流体密度，kg/m 。当流速很高时，流体作用在热电偶套管上的力也很大，极易导致热电偶套管损坏。

对流体诱发热电偶套管的周期性振动，当振动频率与套管固有频率接近时产生共振现象，理论与实际应用证明，共振也是造成热电偶套管断裂的主要原因之- J。流体诱发振动机理可分为旋涡脱落、湍流颤振、流体弹性扰动。涡致振动机理认为 - ]：在亚音速横向流中，任何非流线型物体尾部若有足够的拖迹边缘均会产生旋涡脱落。当旋涡从物体两侧周期性交替脱落时，便在物体上产生周期性升力及阻力。流线谱变化将引起压力分布变化，导致作用在物体上流体压力大小与方向的变化，从而诱发物体振动。

工程上常采用两种方法抑制流体激振：① 通过调第5期 陈庆光等：热电偶套管流体激振数值分析 121力系数，得到监测面处沿来流方向垂直于热电偶套管的压力脉动时域图，再利用快速傅里叶变换(FF1)技术处理得的监测面处的压力脉动频域图。最后通过对比分析套管前端串列干扰装置前后热电偶套管的受力和压力脉动情况，研究干扰装置的作用。有干扰装置时网格数量 为 1002 454，无 干扰装置 时 网格 数量为387 042，经网格无关性验证，数值模拟结果准确可靠。

稳态计算得到 的套管头部和干扰装置上 的全压(Pa)分布分别如图5、图6所示。作用在干扰装置和套管上的压力 F如表 1所示，比较可知，增设干扰装置后作用在干扰装置和套管上的作用力均明显降低。

表 1 作用的压力比较Tab.1 Comparison of pressure forcesLES模拟得到监测面上压力随时间的变化情况如图7所示，其中曲线 1、3分别表示无干扰装置和有干扰装置时作用在热电偶套管上的压力，曲线 2表示有耄j四J晕单位：Pal1..1141E 0)51.10EO5，×10 /Hz图 8 无干扰装置时套管头部压力脉动频域图Fig.8 Pressure force fluctuation on thesurface of the head of thermowel in frequencydomain without interference equipment耄銎单位：Pa1.08E-05-：. 04E -05I图6 有干扰装置全压分布Fig.6 Contours of total pressure with interference equipment干扰装置时作用在干扰装置上的压力。对 比看出，由于干扰装置的作用，作用在套管上的压力变小，同时作用在干扰装置上的压力也只有未加时的50%左右。作用在干扰装置和套管头上的平均压力 F如表 2所示，平均压力为时间上的平均，用于反映非稳态条件下的受力情况，通过对比看出，有干扰装置时作用在套管头上的平均压力明显下降。

11垒 图7 压力时域图Fig.7 Fluctuation curves of pressure force in time domain表2 作用的平均压力比较Tab.2 Comparison of average pressure forces差銎/×102/Hz图9 有干扰装置套管头部压力脉动频域图Fig.9 Pressure force fluctuation on thesurface of the head of thermowel infrequency domain with interference equipment图8-图 10为利用 FF11技术对 CFD计算结果进行处理得到的监测面上沿来流方向垂直于热电偶套管的压力脉动频域图。其中图8、图9分别为无干扰装置和有干扰装置时套管头部压力脉动频域图，图 10为干扰装置上的压力脉动频域图。对比可得，前端串列干扰装置承受了脉动流体的主要作用力，作用在其后套u，×10 /Hz图 1O 干扰装置上的压力脉动频域图Fig.10 Pressure force fluctuationon the Surface of theinterference equipment管上的压力脉动低频振幅明显减小，能量被分散到更宽的频带上，从而可减轻对热电偶套管的损坏。另外的计算表明，以上模拟计算是针对正常工况下的边界条件进行的，计算表明，改变进、出口边界条件，仍可得出上述结论。

(下转第143页)5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 4 O O O O O O 0 O O O 0 十 E E B E E E E E E E Eg 7 5 4 2 l a0 0 90 -- - J。

第 5期 王 涛等：基于 UKF模型更新的混合试验方法 143[9][10]method for pseudo.dynamic testsJ].Advanced MaterialsResearch.2011，250-253：2455-2459。

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Zhang J.Wu B，Wang T. Adaptive substructure testingmethod based on least squareC]. The International(上接第 121页)4 结 论本文在对热电偶套管损坏问题研究现状进行分析的基础上，提出在热电偶套管前端串列具有流线型外形干扰装置的设计方案。数值模拟和分析结果表明，该方案可有效减小流体对热电偶套管的冲击力，抑制流体诱发的振动，从而达到保护热电偶套管、避免其发生损坏的目的。