兩相閉式熱虹吸傳熱過程及其非線性特征研究.pdf

1、熱管及熱虹吸傳熱是同時存在蒸發(fā)和冷凝、流動和傳熱的復(fù)雜過程，表現(xiàn)出顯著的非線性動力系統(tǒng)不穩(wěn)定性，具有混沌的特征。由于對其機(jī)理和特征研究的欠缺，使得熱虹吸傳熱在實(shí)際應(yīng)用中，如控制、預(yù)測和設(shè)計(jì)放大等仍存在一定困難。 非線性科學(xué)是當(dāng)今世界科學(xué)發(fā)展的前沿和熱點(diǎn)，其研究和應(yīng)用幾乎涉及自然科學(xué)和社會科學(xué)的所有領(lǐng)域，是目前倍受關(guān)注的交叉學(xué)科和重要的理論方法。特別是隨著非線性科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在各學(xué)科研究中，混沌理論的觀點(diǎn)越來越被人們所接

2、受，并得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 該文的主要目標(biāo)是以熱虹吸傳熱過程的振蕩現(xiàn)象為切入點(diǎn)，以溫度波動信號的頻譜分析為基礎(chǔ)，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測和非線性理論等為研究工具，以熱虹吸傳熱過程的不穩(wěn)定特征—混沌現(xiàn)象為基本研究對象，在前人研究工作的基礎(chǔ)上，探討熱虹吸傳熱過程不穩(wěn)定現(xiàn)象和基本機(jī)理，利用非線性的理論和方法描述熱虹吸傳熱過程的混沌特征，揭示其振蕩傳熱的本質(zhì)。 該文研究工作主要分為兩部分內(nèi)容。 第一部分通過傳熱實(shí)驗(yàn)，研

3、究熱管的不穩(wěn)定傳熱過程及其溫度波動信號的基本特征，描述實(shí)驗(yàn)條件下熱管傳熱波動現(xiàn)象和不穩(wěn)定現(xiàn)象，研究了熱虹吸管內(nèi)部強(qiáng)化傳熱的方法和機(jī)理以及對傳熱波動的影響。在實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容中，重點(diǎn)對熱虹吸管傳熱性能具有較大影響的參數(shù)進(jìn)行了分析。完成了對充裝率、傾角、熱流密度、傳熱極限等因素的研究，得到了實(shí)驗(yàn)條件下的相關(guān)準(zhǔn)則方程。采用螺旋內(nèi)置物、添加第三相等方法進(jìn)行強(qiáng)化傳熱和抑制氣泡的實(shí)驗(yàn)研究，給出實(shí)驗(yàn)條件下相關(guān)傳熱性能和強(qiáng)化傳熱準(zhǔn)則方程。 第二部分

4、以熱虹吸傳熱過程的非線性特征分析為主線，采用頻譜分析，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，ARIMA模型等工具，對熱虹吸傳熱振蕩過程進(jìn)行預(yù)測和動態(tài)建模。進(jìn)一步采用不變變換的相似約化方法等數(shù)學(xué)工具，將表述熱虹吸傳熱過程的偏微分方程組演化為具有和Lorenz方程組形式一致的常微分方程組。通過在Maple(V9.0)平臺上建立符號運(yùn)算過程，從數(shù)學(xué)的角度嚴(yán)格證明了熱虹吸傳熱過程是具有和Lorenz方程完全相同混沌特征的系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，分析了熱虹吸傳熱的穩(wěn)定性、分岔

5、特征、穩(wěn)定臨界值等問題。應(yīng)用G-P算法和Wolf方法編制相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，對由實(shí)驗(yàn)獲得的時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提取關(guān)于混沌現(xiàn)象主要的特征參數(shù)關(guān)聯(lián)維和最大Laypunov指數(shù)，可以用來定量描述熱虹吸傳熱過程的復(fù)雜性和非線性特征，是判斷熱虹吸傳熱進(jìn)入混沌的重要準(zhǔn)則，也是實(shí)現(xiàn)對熱虹吸傳熱過程混沌進(jìn)行預(yù)測和控制的必要參數(shù)。以溫度波動特征明顯的熱管數(shù)據(jù)為樣本，定量研究了熱虹吸傳熱過程和操作條件密切相關(guān)的混沌特征，比較了最大Laypun

6、ov指數(shù)分布和頻譜分析之間存在的內(nèi)在一致性。最大Laypunov指數(shù)作為定量描述熱虹吸傳熱過程混沌的重要參數(shù)，可以更加客觀地反映系統(tǒng)內(nèi)在的非線性本質(zhì)特征。研究表明，熱虹吸傳熱過程表現(xiàn)為具有內(nèi)在的、完全不同于隨機(jī)過程的混沌本質(zhì)。 此外，作為對熱力學(xué)系統(tǒng)非線性研究的重要補(bǔ)充，該文從不可逆熱力學(xué)理論出發(fā)，分析熱虹吸管傳熱過程的熱力學(xué)特性，嘗試采用基于最小熵增分析和熱力學(xué)第二定律提出的優(yōu)化方法，為熱管的操作條件和設(shè)計(jì)優(yōu)化提出了新的思路。