智利南部可再生能源部署的技术经济评估：拓展绿色氢前沿

《Applied Sciences》：Techno-Economic Evaluation for Renewable Deployment in Southern Chile: Expanding the Green Hydrogen Frontier Teresa Guarda, Silvio F. Durán Velásquez, Alejandro E. Córdova Arellano, Germán Herrera-Vidal, Oscar E. Coronado-Hernández, Gustavo Gatica, Modesto Pérez-Sánchez and Jairo R. Coronado-Hernández

　　

翅片管通过增加表面积提升了换热器的传热性能；同时，翅片管改变了绕管流型，从而增加了诱发流致振动（FIV）的可能性，这可能削弱结构完整性。因此，在优化翅片管设计时，需权衡传热性能的提升与振动风险的降低。本论文研究了平行三角排列的圆形翅片管在横流条件下的振动行为，特别关注结构响应而非热性能。研究中测试了两种管束，采用30°平行三角布局。实验管束的节径比（P/D）分别为1.16和1.37，翅片密度为3、6和9。实验在低速闭环水洞中进行，包括圆形翅片管的制造、测试管束的制备以及振动响应测量。分析的关键参数为振动振幅、阻尼、节径比和翅片密度。基于300 mm × 300 mm闭式水洞（水力直径 ??_h =0.3 m）中自由流速度范围0.13–0.28 m/s，雷诺数范围为3.9×10⁴至8.4×10⁴（水，20 °C）。实验结果表明，增加翅片密度可降低振动振幅，同时提高临界流速。将节径比从1.37降至1.16，失稳起始点比节径比1.37时提前约53%。在相同翅片密度9下，节径比1.16的带宽比1.37低约45%，证实了节径比1.16的系统更不稳定。总体而言，在所研究的翅片密度下，节径比1.37提供的稳定裕度比1.16高出3倍。这些发现揭示了翅片密度、节径比与振动行为之间的关系，有助于开发优化的翅片管换热器设计，在不牺牲热性能的前提下减少流致振动。

## 论文解读：平行三角排列圆形翅片管的流致振动行为实验研究

### 研究背景与问题

壳管式换热器（STHE）在核能、化工等加工工业中广泛应用，因其可靠性高且能实现大规模的传热任务。为提升热性能，工业界常在管束上加装翅片以增加换热面积，其中圆形翅片因制造简便、机械设计高效且热性能优异而成为最常用的构型。然而，流致振动（FIV）是导致STHE失效的最常见原因之一，常引发管束磨损、泄漏、非计划停机、经济损失甚至灾难性事故。尽管翅片对传热的优势已被充分认识，但其对机械可靠性的影响——尤其是流致振动行为——尚未得到充分探索。现有研究已识别出流致激励的四种主要机制：湍流抖振、涡街脱落、流体弹性失稳和声共振。尽管已有大量成果，由于复杂流固相互作用的精确预测仍面临挑战，管束响应与磨损的预测仍存在不确定性。以往研究多关注一般翅片构型，未深入探究翅片密度和节距间距对流体失稳阈值的耦合效应。因此，本项研究旨在填补这一空白，聚焦于平行三角排列的圆形翅片管在横流条件下的振动行为，特别关注结构响应而非热性能，并通过实验分析翅片密度和节径比（P/D）对振动振幅、阻尼及临界速度的影响。该论文发表在《Applied Sciences》。

### 主要关键技术方法

研究人员在一个低速闭环水洞中开展实验，水洞测试段尺寸为300 mm × 300 mm（水力直径 ??_h=0.3 m），自由流速度范围为0.13–0.28 m/s，对应的雷诺数（Reynolds number）为3.9×10⁴至8.4×10⁴（水，20 °C）。实验采用两种节径比（P/D=1.16和1.37）和三种翅片密度（3、6、9 fins/inch）的铝制圆形翅片管，构成平行三角管束（共42根管，其中一根为柔性监测管，其余固定）。振动测量使用SG-Link无线加速度计（三轴）安装在柔性管顶部，通过无线基站连接个人计算机（PC），数据由Node Commander软件监视、SigView软件分析，计算均方根（RMS）振幅。管束的自然频率通过钢琴丝和张力机构调谐至约10.5 Hz，阻尼比采用对数衰减法获取。

### 研究结果

#### 3.1 翅片密度对振幅响应的影响
实验表明，随着翅片密度从3增加到9，管束在流向和横向的振动振幅均显著降低，失稳临界速度提高。翅片密度9时，失稳发生在约1.9 m/s对应的折减速度处，而翅片密度3时在约0.4 m/s处即发生失稳。翅片的存在改变了流场，增强了管束的稳定性，延迟了流体弹性失稳的发生，并降低了振幅。

#### 3.2 流向与横向振幅的对比分析（节径比1.16 vs. 1.37）
节径比1.16时，管间距较近，加剧了管间水动力耦合和涡街脱落效应，导致流向和横向振幅均较高，且失稳在较低流速下出现。节径比1.37时，管间距增大，水动力耦合减弱，振幅显著降低，失稳延迟，系统稳定性增强。流向振幅在失稳过程中贡献约1-2%的额外响应，但横向振动仍为主导。

#### 3.3 失稳临界速度的起始与降低
节径比1.16时，失稳约在0.4 m/s开始；节径比1.37时，失稳推迟至约0.8 m/s，失稳起始点延迟约53%。这表明节径比对失稳边界有决定性影响：较小的节径比使系统更易失稳。

#### 3.4 翅片密度与节径比对合成振幅的影响
实验显示，节径比1.16时，翅片密度增加可提升阻尼比并延迟失稳，但整体仍比节径比1.37更不稳定。在节径比1.37下，即使低翅片密度也能维持较高的稳定裕度。TEMA准则定义的临界速度为振幅超过有效管径2%时的流速，实验数据与此一致。

#### 3.5 阻尼分析与节径比和翅片密度的影响
节径比从1.37降至1.16时，临界速度下降约8%，上极限峰值振幅从约5%管径升至7.9%，下极限基底从1.6%升至2.4%。节径比1.16的失稳带宽比1.37窄约45%，且整个响应曲线向更高振幅、更低流速方向移动，稳定裕度大幅缩减。定量上，节径比1.37的稳定裕度约为1.16的3倍。稳定性图谱比较显示，高有效节径比下实验数据与裸管稳定线吻合，而低有效节径比下数据偏向不稳定区，表明现有裸管模型低估了翅片管的失稳风险。

### 讨论与结论

研究人员通过实验系统研究了圆形翅片管在横流中的流致振动行为。关键结论包括：（1）节径比从1.37降至1.16时，失稳起始提前约53%；（2）翅片密度从9降至3，临界速度从约1.9 m/s降至0.4 m/s，低翅片密度显著降低稳定裕度；（3）在所有翅片密度下，节径比1.37的稳定裕度是1.16的3倍；（4）横向振动始终占主导地位；（5）高有效节径比时翅片管行为与裸管相似，但低有效节径比时需建立专用稳定性模型。这些发现为设计低振动风险的优化翅片管换热器提供了关键指导，即通过合理选择较高的节径比和较高的翅片密度，可在不牺牲热性能的前提下有效抑制流致振动。