管壳式换热器是石油、化工、核电等工业部门广泛使用的通用设备,以其高可靠性和广适应性在各种换热器的使用中占据主导地位。由于壳程流体的存在,一根管子的振动会激励其他管子的振动,整个管束将作为一个系统相互耦合,并表现出多个耦合频率与耦合振型。管束耦合振动的实验与数值模拟研究尚未形成普适性的经验,而相关标准中关于管子质量的计算是基于周围管束静止的非耦合振动。为此,本文采用实验与数值模拟方法研究了管束耦合振动,并为标准的修订提供参考和依据。本文设计并搭建了静水管束振动测试系统,确定了合适的管束结构型式、材料、尺寸及固有频率。针对四根及九根节径比为1.25的正方形排布管束,通过激励其中的一根管使管束发生耦合振动,利用视频处理软件获得管子的运动轨迹,得到了管束的耦合振型。结果表明,单一耦合频率对应的振型对称,重复耦合频率对应的振型不对称;管子数量增加后,耦合振型变得复杂。采用ANSYS中的声学流固耦合方法对管束耦合振动进行了动力学分析,结果表明对于无限长管束的耦合振动模型,管子轴向尺寸对计算结果没有影响,径向方向上流体边界到管束的距离取5~10倍管径时可以不考虑边界的影响。模拟计算结果表明,相同管子数量下,节径比越小,耦合频率带宽越大;同一节径比下,管子数量越多,耦合频率带宽越大。管束频率的不一致会改变管束的耦合频率及耦合振型。采用ANSYS CFX中的刚体壁面运动模拟管束耦合振动,计算了管束耦合振动时周围流体的速度与压力。结果表明管束耦合振动时周围流体的速度与压力分别随管束速度及位移的变化而变化,但管束排布中心与管束外侧的流体速度以及管束排布中心的流体压力始终很低。基于以上研究结果,计算了基于管束耦合振动的附加质量系数,结果表明耦合振动的附加质量系数与管束节径比的关系是一个带宽随节径比的增大而减小的区域,为此,建议标准中可将附加质量系数曲线改为附加质量系数带。