换热器是一种常用的热交换设备,由于管束在运行时会受到横向流的冲刷,因此容易发生流体诱发振动。在所有流体诱发振动机理中,流体弹性不稳定性失稳是最重要的激振机理,该机理的发生特别容易造成换热器在短期之内的破坏,因此需要格外重视。在质量阻尼参数较低时管阵的失稳机理复杂,目前对于该参数下很多失稳现象仍不能给出很好的解释,为此本文在实验、数值模拟和理论方面开展了对低质量阻尼系数下管束阵列的失稳机理研究。本文建立了一套最大流量为300 m~3/h,最大可安装管束数量为121根的水洞装置。为了提高管束振动测试技术水平,自主开发了一套可视化振动测试系统,该测试系统具有抗干扰性好,非接触测量,可同时测试管束数量多的特点,极大地提升了测试效率。利用该系统开展了质量阻尼系数为0.15的不同形式管阵的水洞实验研究。鉴于目前管束流固耦合振动计算难度大,计算精度不高,本文对采用格子玻尔兹曼方法（LBM）的流固耦合数值计算方法开展了研究,提出了全新的流固耦合边界处理方法—浮动网格（FG）法。将FG法与传统反弹边界方法及实验结果进行了对比分析,结果显示FG法具有稳定性高,计算准确的优点,在单管流固耦合计算中有很高的可靠性。但是针对管阵,由于LBM可压缩效应的影响,该方法并不适合。为此进一步针对管阵失稳开展了采用CFX浸入边界的数值计算方法研究,通过与实验振幅和频率的对比验证了该方法的可行性。结合水洞实验和数值计算结果本文对低质量阻尼参数下不同管阵的失稳特性进行了研究。结果表明,节径比为1.4下的错排管束相对比于顺排管束更容易受到旋涡脱落的影响,该条件下管阵的失稳由两种激振机理耦合而成,该耦合作用会导致管束临界流速的降低。因此本文认为现有只考虑排布和节径比分析管束失稳并不全面,提出在机理研究中还应考虑流场分布特性。本文对低质量阻尼参数下管阵的非稳态理论进行了研究,提出了新的非稳态流体力系数数值计算获取方法,并通过实验验证了方法的可行性。在此基础上对四种排布条件下的管阵失稳采用非稳态理论进行了求解,作出了不同排布下的稳定区图并与本文的实验结果和文献结果进行了对比,结果表明顺排管束阵列的稳定区图能对所有结果在保守的情况下进行包络,而错排管束会出现非保守性估计,这同错排管束旋涡脱落和流弹性失稳耦合造成临界流速降低有关。因此提出错排管阵应在考虑耦合失稳机理的基础上开展设计与研究。