1.2.2 锥螺旋弹性管束

结合平面弹性管束的设计思路，设计出锥螺旋弹性管束，利用流体诱导振动实现强化换热。图1-5所示为锥形单螺旋管束的结构示意图，管束呈锥形螺旋线分布，管程的进出口作为其固定端。图1-6所示为锥形双螺旋管束的结构示意图，由Ⅰ、Ⅱ两根纯铜管并排成锥形螺旋线分布，顶部的两根管束通过一个不锈钢连接体M胀接相连，管程的进出口为固定端。

图1-5 锥形单螺旋管束的结构示意图

图1-6 锥形双螺旋管束的结构示意图

多排锥螺旋管束之间相互嵌套安装，相邻管束的间距e等于锥螺旋管束自身的螺距H（e=H）。对于锥形单螺旋管束，其安装支撑方式如图1-7a所示。考虑到单螺旋管束的刚度相对较大，可以将管程的出水管设计为图1-7b所示的结构。

图1-7 锥形单螺旋管束换热器

多排锥形双螺旋管束换热器的安装如图1-8所示，相对于单螺旋管束，双螺旋管束的刚度较小。同时，由于双螺旋管束的自由端带有连接体M，便于采用壳程脉动流发生装置诱发并控制其振动，也可以通过连接体调节其固有振动频率等。因此，在本书后续的关于锥螺旋管束的固有振动特性分析、管程及壳程流固耦合振动特性的计算及试验研究中，若无特别提及，均以锥形双螺旋管束为分析对象。

通过对锥形螺旋管束换热特性分析发现，锥螺旋弹性管束的锥度对其换热特性影响较大，管束表面换热系数随着管束锥角的增大而增加，而螺距对其换热特性的影响几乎可以忽略[7]。文献[8-9]中研究了管内流体诱导锥螺旋弹性管束的振动响应，结果表明锥螺旋弹性管束的振动方向以纵向为主，锥螺旋弹性管束在流体诱导下的振动响应具有明显的周期性，随着管内流速增加，锥螺旋弹性管束的振动频率基本不变，但振幅逐渐增大。在低流速条件下，锥螺旋弹性管束在管内脉动流诱导下的振动强化换热综合性能指标（PEC）可达1.1，管内二次流效应随着螺旋曲率的增加而增强，对管束的强化换热起到促进作用。

图1-8 多排锥形双螺旋管束换热器的安装