漩涡发放机理如图1-1所示,当流体横掠钝体前缘时,流体受到阻滞而使得压力增加,增高的压力围绕着圆柱体表面边界层从两侧向下游发展。当雷诺数较低时,压力不足以使边界层扩展到圆柱体背后,而是在圆柱体断面宽度最大点 C 附近产生分离,分离点即为沿柱体表面速度由正到负的转折点或者速度零点。在分离点的后方,流体沿柱体表面将发生回流。边界层在分离点脱离柱体表面,并形成向下游延展的自由剪切层,两侧剪切层之间即为图中的 A 区域,称为尾流区。在剪切层范围内,由于接近自由流区外侧部分,流速大于内侧部分,使得流体发生旋转,并分散成若干漩涡的趋势,柱体后面形成的漩涡系列称为“涡街” [1] 。
图1-1 漩涡发放机理 [1]
漩涡在尾流区的形状受雷诺数的影响很大,漩涡脱落与 Re 的关系见表1-1。当 Re ≤5时,流体紧贴圆柱流动而没有分离;当(5~15)< Re ≤40时,流体绕流圆柱后在圆柱后面形成一对位置固定的漩涡;随着流速的进一步增加,当40< Re ≤150时,漩涡被拉长,并交替地脱离圆柱体,形成一个周期性的尾流和交替错开排列的涡街,此时涡街为层状;当150< Re ≤300时,涡街脱落形成过渡阶段;当300< Re ≤3×10 5 时,涡街充分发展为湍流,圆柱尾部发放周期性交替泄放的湍流漩涡,并且湍流可延续至50 D 以外,称为次临界阶段;当3×10 5 < Re ≤3.5×10 6 时,称为过渡阶段,此时圆柱边界层的分离点后移,漩涡泄放不具有周期性(宽带发放频率),曳力显著降低;当3.5×10 6 < Re 时,称为超临界阶段,重新建立起比较规律的周期性发放的湍流漩涡涡街 [2] 。
表1-1 漩涡脱落与 Re 的关系 [2]
流体横掠管束时所产生的湍流,可以诱发管束振动。工程设备内部几乎到处都存在湍流流动,特别是在换热器多排管束深处,随机不规则的湍流逐渐增大,湍流压力波动亦随之增大。由于管子流体动力学的选择性,在承受这种杂乱无章的压力波动作用时,首先在管束自身固有频率上引起响应而振动,即为湍流抖振。
流体湍流脉动的频率很宽而且是随机的,湍流产生的振动不像漩涡脱落那样导致整个速度范围内的振动,频率正比于流速,振幅亦随流速而增加。相反,湍流抖振是一个由随机力作用的衰减振动。管子仅在其固有频率附近产生响应,振动的峰值出现在脉动力的主频率与管子固有频率重合之处。