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两相闭式热虹吸传热过程及其非线性特征研究

陈彦泽  
【摘要】:在对能源和环保高度重视的今天,和许多发达国家相比,我国能源利用的现状还存在许多问题。例如,能源的利用水平低,可再生能源的利用比例低,对能源的投入和产出比远远低于国际先进水平。具体主要表现为,大量的热工设备热效率相对较低,许多价值极高的各种工业余热被白白浪费。因此,对能源高效回收技术和强化传热技术的研究,以及各种高效传热元件的开发研究一直是科技人员致力的重要领域。 热管及热虹吸传热是同时存在蒸发和冷凝、流动和传热的复杂过程,表现出显著的非线性动力系统不稳定性,具有混沌的特征。由于对其机理和特征研究的欠缺,使得热虹吸传热在实际应用中,如控制、预测和设计放大等仍存在一定困难。 非线性科学是当今世界科学发展的前沿和热点,其研究和应用几乎涉及自然科学和社会科学的所有领域,是目前倍受关注的交叉学科和重要的理论方法。特别是随着非线性科学和计算机技术的发展,在各学科研究中,混沌理论的观点越来越被人们所接受,并得到了越来越广泛的应用。 本文的主要目标是以热虹吸传热过程的振荡现象为切入点,以温度波动信号的频谱分析为基础,以人工神经网络模型预测和非线性理论等为研究工具,以热虹吸传热过程的不稳定特征—混沌现象为基本研究对象,在前人研究工作的基础上,探讨热虹吸传热过程不稳定现象和基本机理,利用非线性的理论和方法描述热虹吸传热过程的混沌特征,揭示其振荡传热的本质。 本文研究工作主要分为两部分内容。第一部分通过传热实验,研究热管的不稳定传热过程及其温度波动信号的基本特征,描述实验条件下热管传热波动现象和不稳定现象,研究了热虹吸管内部强化传热的方法和机理以及对传热波动的影响。在实验研究内容中,重点对热虹吸管传热性能具有较大影响的参数进行了分析。完成了对充装率、倾角、热流密度、传热极限等因素的研究,得到了实验条件下的相关准则方程。采用螺旋内置物、添加第三相等方法进行强化传热和抑制气泡的实验研究,给出实验条件下相关传热性能和强化传热准则方程。 第二部分以热虹吸传热过程的非线性特征分析为主线,采用频谱分析,人工神经网络,ARIMA模型等工具,对热虹吸传热振荡过程进行预测和动态建模。进一步采用不变变换的相似约化方法等数学工具,将表述热虹吸传热过程的偏微分方程组演化为具有和Lorenz方程组形式一致的常微分方程组。通过在Maple(V9.0)平台上建立符号运算过程,从数学的角度严格证明了热虹吸传热过程是具有和Lorenz方程完全相同混沌特征的系统。在此基础上,分析了热虹吸传热的稳定性、分岔特征、稳定临界值等问题。应用G-P算法


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