流体诱导振动和管壁水击作用往往是导致换热器流动诱导失效的关键因素,而流体诱导振动和管壁水击作用取决于其流固双向耦合作用。然而管壁近流场突变会诱发换热管的流体诱导振动,而伴随流体诱导振动产生的管壁边界振动变形运动又会促使管壁近流场加速突变,这两种运动的相互耦合使得换热管流固双向耦合作用动力学行为极为复杂,而揭示内外充液换热管流体诱导振动的双向流固耦合作用机理是建立管壳式换热器流体诱导振动失效理论的前提,然而至今内外充液换热管流体诱导振动的双向流固耦合作用的数值模拟在工程上仍是一项技术挑战,相关研究罕见报道,其双向流固耦合机理至今尚未完全弄清。针对这一工程背景,本文建立了内外充液换热管双向流固耦合作用的理论模型和数值模拟方法,研究了内外充液换热管流体诱导振动的双向流固耦合的作用机理,明晰了其关键调控参数,为建立换热器流动诱导失效理论奠定了理论基础。本文主要取得以下成果:(1)针对内外充液换热管流体诱导振动双向流固耦合作用过程,经合理简化与假设,并基于任意拉格朗日-欧拉法(Arbitrary Lagrangian Eulerian),建立了描述内外充液换热管流体诱导振动双向流固耦合作用过程的全三维理论模型。(2)空管干法模态分析和流固耦合湿模态分析对比研究表明:两种模态分析的固有频率和模态振型存在明显差异,流固耦合湿模态分析的固有频率值普遍低于空管干法模态分析值,二者相差高达37%至54%,目前国内外广泛采用的传统空管干法模态分析不能真实反映内外充液换热管的流体诱导振动的动力学特性和振动模态。(3)首次提出了内外充液管固有频率受控于流体重力作用和流固耦合作用,且随着流体重力作用和流固耦合作用的增加而降低的机理科学假设,并通过流体重力作用和流固耦合作用对流固耦合模态分析固有频率影响规律的模拟研究,验证了该科学假设的正确性。(4)通过数值模拟研究建立了内外充液换热管流体诱导振动的动力学响应与关键影响参数的关联关系,研究结果表明其动力学响应随着脉动流频率和振幅的增加而增大,且双向流固耦合作用下内外充液换热管的动力学响应明显大于单向流固耦合作用下内外充液换热管。(5)提出了内外充液换热管流体诱导振动动力学响应受控于流固双向耦合作用诱发的壁面水击压力,而其水击压力主要取决于进口流速的突变和管壁边界振动变形运动,且随着进口流速的突变和管壁边界变形运动的增大而增大的动力学响应机理假设。(6)揭示了内外充液换热管流固双向耦合作用机理,研究结果表明随着脉动流频率和振幅的增加,进口流速的突变越大,会诱发内外充液换热管流体诱导振动增强,而流体诱导振动伴随的换热管壁面边界振动变形运动又会诱发双向流固耦合换热管近壁速度场的突增,这必然进一步使换热管内外液体对管壁的水击压力增大。由于流体的脉动流动运动诱发管壁发生变形运动,而管壁的变形运动又会促使管壁近流场突然加速,正是流体的脉动流动运动和管壁边界振动变形运动的相互耦合作用使得双向流固耦合换热管内外流体对管壁的水击作用随着脉动流频率和振幅的增加而增强。(7)准确预测内外充液换热管流体诱导振动的动力学响应的理论前提是建立描述内外充液换热管双向流固耦合的理论及数值模拟方法,以真实反映换热管壁面边界振动变形运动对壁面近流场的反向作用。而目前国内外广泛采用的单向流固耦合方法预测的动力学响应比双向流固耦合预测的动力学响应小2至4.87倍,是不安全的。