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《华中科技大学》 2004年
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热动力学相似性

李正宇  
【摘要】:受热流动系统在工业生产中具有广泛的应用,它属于工程热物理的研究范畴。一直以来,经典热力学在这种研究中占据主导地位。经典热力学以准静平衡为基础,因此只考虑平衡的结果,而没有涉及到变化的过程。而近几十年里,工程领域过程日趋复杂化,系统运行中动态特性日益明显,而且动态过程的控制往往会影响到系统的稳定性。因此对于那些需要考虑系统稳定性、有在线监控和事故后分析要求的场合,不能够只考虑热力学过程的结果,而应该更注重热力学的动态过程本身。 要进行动态过程的研究,单是过去的分析方法已经不够了。因为动态过程的时、空尺度已经不是在宏观状态,这就需要研究者也相应调整自己的观察尺度,以适应这种要求。系统的平衡过程不再是瞬时完成的,存在着弛豫时间。热弛豫和粘性弛豫时间的出现,导致了势和流之间的相移现象,这是热声热机产生功的原因。因此时间概念变得非常的重要,每个过程都有其自身的特征时间尺度,它是过程中几何尺寸、物理量变化、作用空间的综合反映,因此可以表征系统的状态变化。越来越多的研究者认识到,过程时间参量以及与时间参量相关的特征参量对系统变化具有特征化的作用。 在受热流动系统中,不同的物理过程,具有不同的时、空尺度。本文结合几个受热流动系统的理论分析和实验研究,在双区框架下,对这些系统建立热动力学网络模型。并从动态状态的量化分析出发,尝试探索系统稳定性与时间以及时间相关特征参量之间的关联性,提出用两个子系统的特征时间之比 作为热动力学相似性准则。 作者论文的研究工作主要反映在以下几个方面的具体内容: 对受热流动系统研究的发展历史和研究现状作了比较系统的评述,特别对热声热机的研究情况和沸腾两相流研究情况的已有研究成果进行了分析研究,介绍了本课题研究在工程和学科上的意义。 概括、总结了热声热机和沸腾两相流系统的基本方程。根据受热流动系统内部物 WP=5 理过程时间尺度的不同,将受热两相流分为两个区,并在此双区框架下,分析了热声热机和沸腾两相流的网络模型。为网络模型的试验量化提供了途径。 动态试验研究具有与静态研究不同的试验方法和数据处理手段。作者结合课题期间的工作,提出了在动态试验数据采集中应该注意的问题和在后期处理中能够使用的手段。这些分析手段在后面对作者对数据进行处理过程中基本都得到了应用。 对几个受热流动系统的试验结果进行了分析,研究重点放在探索用特征时间尺度以及与特征时间尺度相关的特征参量量化系统运行状态以及判别系统的稳定性变化上。 分析了受热流动系统的共性,在双区框架下,讨论了建立热动力学网络的一般方法。强调特征时间尺度以及特征参量,提出了热动力学相似准则的概念,并把描述两个区综合效果的 作为判定热动力学相似的准则数。从模型框架、各个区的主导机制等角度将热动力学相似方法和Zuber所提出的也是以 为准则的分层模化方法进行对比,讨论了两者的异同。并且还给出了试验结果证明这种方法的可用性。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TK121

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