弹性管束换热器利用流体诱导弹性管束振动,实现管束的振动强化换热。与平面弹性管束相比,锥螺旋弹性管束由于其近似的简支结构,固有频率低,易于实现流体诱导振动;管束振动时应力分布均匀,交变应力幅值小,不易发生疲劳破坏;管束的锥螺旋结构使管内流体在螺旋流动时受离心力的影响,形成有利于对流换热的二次流旋涡。本文对管内流体诱导锥螺旋弹性管束的振动及换热性能进行了数值研究,搭建了实验装置并实测了管内流体诱导锥螺旋弹性管束的振动响应。研究工作对实现管内流体诱导锥螺旋弹性管束的振动和控制,完善弹性管束换热器设计技术具有重要意义。本文主要研究工作如下:(1)建立了流体绕流圆柱、三角柱、圆柱隔板绕流体的二维仿真模型,研究了流体绕流不同绕流体时形成的脉动流频率及强度和升阻力系数变化,分析了圆柱隔板长度对形成的脉动流频率及强度的影响规律。三角柱绕流体的综合绕流特性优于圆柱绕流体,且等边三角柱绕流体的绕流特性优于直角三角柱和钝角三角柱绕流体。改变三角柱特征长度或圆柱尾部隔板长度可以调节流体绕流后产生脉动流的频率。(2)建立了锥螺旋弹性管束及管内外流体域几何模型,对弹性管束的固有特性及管内流体诱导锥螺旋弹性管束的振动响应进行了仿真分析,得到了管内流体流速对锥螺旋弹性管束振动响应的变化规律。锥螺旋弹性管束的振型由横向振动和纵向振动构成,主要以纵向振动为主;在管内流体流速为0.1m/s-0.6m/s的范围内,随着流速的增加,管内流体诱导锥螺旋弹性管束的振动频率基本不变,振幅逐渐增大。在低流速下,管内加入绕流体后锥螺旋弹性管束的振幅增加了 6.8%。(3)搭建了管内流体诱导锥螺旋弹性管束振动测试实验台,实测了锥螺旋弹性管束监测点的振动响应,对数值模拟方法进行了实验验证。在管内流速为0.1m/s-1.2m/s的范围内,锥螺旋弹性管束连接体上监测点的振动主频率均为6Hz,接近管束的第1阶固有频率5.97Hz;管束连接体监测点的运动形成空间复杂轨迹,监测点振动频率和振幅实测值与仿真结果的相对误差小于10.3%。(4)建立了锥螺旋弹性管束管内外流体域整体换热仿真模型,分析了管束结构对管束换热性能的影响,研究了管束截面流场分布特性,仿真分析了管内流体诱导下锥螺旋弹性管束的换热性能。随着管束管径增大,面均换热系数逐渐减小,锥度越大面均换热系数越高;低流速管内脉动流诱导锥螺旋弹性管束振动强化换热的综合性能指标(PEC)达到1.1。