换热器作为高能耗行业一个热量交换的单元,是合理利用与节约能源的关键设备,研制高效、低阻、性能好的换热器对于节约能源,降低单位产值能耗具有重要的现实意义,而采用先进的强化传热技术无疑是实现这一目标的有效途径。因换热壁面振动具有更好的传热效果曾在20世纪六七十年代引起了广泛关注,却因在换热器内难以实现换热元件振动而停止研究。随着流体诱导弹性换热元件振动来强化传热理论的提出,这一课题也在逐渐兴起。本文围绕平面弹性管束流体诱导振动与换热展开了较为细致的研究。圆柱的振动会对圆柱周围流场产生挠动,使得圆柱周围流场处于湍流状态。本文对二维流场中振动圆柱面外部湍流状态流场的场参数协同情况进行理论推导,得到了流体绕流振动圆柱湍流状态下场协同表达式。在数值计算中,把振动圆柱面外部场协同参数的取值域界定为略大于温度边界层,提出域内场参数离散平均的计算方法,利用Fluent动网格技术并结合Udf编程方法进行计算。采用动网格技术结合Udf编程方法研究了不同稳态流速下二维流场中圆柱面横向作简谐振动时的换热特性,得到了振动圆柱面面均换热系数随来流速度的变化曲线。结果表明,相比于静止圆柱面,来流速度远低于圆柱面最大振动速度时,振动圆柱面强化换热效果明显；随着来流速度的增大,振动强化换热效果降低。采用相同的数值计算方法对不同流速下圆柱面沿不同方向做简谐振动时的换热特性进行了研究,得到圆柱面沿不同方向振动时面均换热系数随流速的变化曲线,并用场协同理论对其换热性能进行了分析。计算结果表明,圆柱面的振动方向对强化换热的影响不显著。将Ansys中固体模块Workbench与流体模块CFX相结合,对不同弹性支撑刚度圆柱的流体诱导振动及换热特性进行了数值研究,得到了不同弹性支撑刚度圆柱分别沿横向和纵向的振动幅值及其频率随来流速度变化曲线。结果表明,在弹性支撑刚度相同的情况下,流体诱导圆柱振动产生频率锁定所对应的来流速度值越大；相等弹性支撑刚度下,流体诱导弹性支撑圆柱横向振动的振幅、频率要大于纵向振动的振幅、频率；流体诱导弹性支撑圆柱振动的最大振动速度远小于来流速度时,圆柱面的换热效果主要由来流速度决定。将Ansys中固体模块Workbench与流体模块CFX相结合,对流体诱导不同间距下串联弹性支撑圆柱振动特性进行了数值研究,得到了一定流速下,串联弹性支撑圆柱的振动位移响应时程曲线和瞬时流速云图,并对下游圆柱的振动特点进行了分析。结果表明,流体诱导串联弹性支撑双圆柱振动存在一个临界间距值,当间距小于此临界间距值时,随着间距的减小,流体诱导下游弹性支撑圆柱振动的幅值和频率减小；当间距大于临界间距值时,流体诱导下游弹性支撑圆柱的振动频率不再随着间距的增大而变化。采用相同的数值计算方法对同工况下叉排弹性支撑圆柱的振动特性进行了研究,计算结果与流体诱导串联弹性支撑圆柱振动计算结果进行比较,发现流体诱导串联弹性支撑双圆柱下游圆柱的振幅和频率大于叉排弹性支撑三圆柱下游圆柱的振幅和频率。同时通过计算得到串联和叉排弹性支撑圆柱下游圆柱的面均换热系数随间距的变化曲线。结果表明,流体诱导串联弹性支撑双圆柱振动时,下游圆柱处于上游圆柱的尾流涡尾部时,振动幅值较小,但面均换热系数最大；在一定的间距范围内,流体诱导串联弹性支撑双圆柱下游圆柱的换热效果优于叉排弹性支撑三圆柱下游圆柱的换热效果。基于流体诱导不同间距下串联和叉排圆柱振动及换热特性的研究结论,采用相同的数值计算方法对流体诱导间距为4.5d的串联弹性支撑四圆柱振动及换热特性进行了研究,得到了各个圆柱的振动响应曲线、频率值及面均换热系数值。结果表明,流体诱导间距为4.5d的串联弹性支撑四圆柱振动,各个圆柱的振动频率相等,但振动幅值自上游至下游依次增加,其面均换热系数也自上游至下游依次增大。对两种不同尺寸的平面弹性管束(小尺寸管束为A管束,大尺寸管束为B管束)的固有特性进行了数值分析,得到了各阶固有特性下的振型,平面弹性管束的固有振型分为面外振动和面内振动,并且面内和面外振动型式交替出现。采用Ansys中固体模块Workbench(?)口流体模块CFX对流体诱导单排A管束振动特性进行了数值分析,得到不同流速下A管束大小自由端各自的振动位移响应时程曲线和振动频谱图。结果表明,在较低来流速度下就能诱导平面弹性管束沿纵向的振动,流速较大时,水流激起的管束面内的振动影响管束各个端点处的振动形态,成为多频控制的振动,在Z轴方向的振动尤为显著。大小两自由端沿各个方向的振动频率不同,但都是围绕1-3阶固有频率来振动的。采用相同的数值计算方法,对低流速下单排B管束流体诱导振动特性进行了研究,结果表明,因B管束尺寸大,刚度小,流体诱导其大小自由端多频控制的振动更加明显,并且低流速下流体诱导B管束大小自由端沿各方向的振幅均大于A管束的振幅。对不同流速下A管束流体诱导振动的换热特性进行了分析,分别得到了不同流速下A管束流体诱导振动和静止时的面均换热系数。结果表明,在低流速区,流体诱导A管束振动频率比较高,但是因为A管束上各点处的振幅比较小,即A管束相对于流体的振动速度比较小,致使A管束流体诱导振动对其强化换热的影响不显著,最大为5.7%；随着流速的增大,壁面振动强化换热效果更不明显。对低流速下B管束流体诱导振动的换热特性进行了分析,分别得到了不同流速下B管束流体诱导振动和静止时的面均换热系数。结果表明,因B管束尺寸较大,刚度小,在较低流速下就能够诱导B管束较大振幅的振动,振动频率在5Hz-8Hz之间,此工况下管束的振动对壁面换热影响较大,与同工况下静止管束相比,能够强化换热11.4%；随着流速的增大,流体流速对管束换热性能的影响提高,而管束流体诱导振动对强化换热性能的影响减弱,导致在流速较大时流体诱导B管束振动强化换热效果降低。在流体诱导弹性元件振动实验平台上,对低速流下流体诱导单排平面弹性元件的振动特性进行了实验研究。分别得到了不同流速下单排平面弹性管束大小自由端的振动频率,与数值计算结果吻合较好。对间距为4.5d顺排排列方式的三排B管束流体诱导振动特性进行了数值分析,得到了各排自由端小端处振动位移时程曲线和振动频谱图。结果表明,在较低流速下,流体能够诱导三排平面弹性管束自由端小端在横向以相应振幅和振动主频率持续振动,但是因漩涡脱落,紊流抖振,弹性激振等原因的共同作用下,后排管束的自由端小端纵向振动随机性比较大,振动微弱。