搖擺條件下自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性混沌特性分析及預(yù)測(cè).pdf

1、自然循環(huán)對(duì)于船用核動(dòng)力系統(tǒng)的安全性具有重要意義,但自然循環(huán)系統(tǒng)本身是非線性系統(tǒng)且穩(wěn)定性較差,海洋條件下船舶運(yùn)動(dòng)引入的附加加速度會(huì)改變系統(tǒng)的非線性特性,本文在前期實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,應(yīng)用混沌時(shí)間序列分析方法研究了搖擺條件下自然循環(huán)系統(tǒng)流動(dòng)不穩(wěn)定性的非線性特征并對(duì)復(fù)雜混沌脈動(dòng)行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)。
　　本文用多種混沌時(shí)序分析方法從不同角度分析了搖擺運(yùn)動(dòng)條件下自然循環(huán)系統(tǒng)流量脈動(dòng)的非線性特征。在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步降噪后,通過(guò)譜分析討論了時(shí)間序列

2、的頻譜特性,計(jì)算時(shí)間延遲和最佳嵌入維數(shù),在此基礎(chǔ)上通過(guò)相空間重構(gòu)在相空間中刻畫吸引子結(jié)構(gòu),根據(jù)龐加萊截面圖構(gòu)建系統(tǒng)分岔圖,計(jì)算關(guān)聯(lián)維、Kolmogorov熵和最大Lyapunov指數(shù)值等幾何不變量,最后對(duì)不規(guī)則復(fù)合型脈動(dòng)進(jìn)行了混沌預(yù)測(cè)。
　　本文從兩個(gè)角度分析流動(dòng)不穩(wěn)定性的非線性現(xiàn)象與演化機(jī)理。首先,從系統(tǒng)耗散力與驅(qū)動(dòng)力的相互作用的角度看,搖擺引起的附加外力、熱驅(qū)動(dòng)力與流動(dòng)阻力這三個(gè)因素之間的耦合與反饋程度決定著流動(dòng)不穩(wěn)定性的混沌

3、程度。其次,從振子耦合的角度看,搖擺條件下自然循環(huán)系統(tǒng)是周期性外力驅(qū)迫下的非線性系統(tǒng),可以看作線性振子與非線性振子的耦合系統(tǒng),兩者的耦合程度決定了系統(tǒng)的非線性行為。以上兩個(gè)分析角度側(cè)重點(diǎn)有所不同但可以相互印證,前者可以解釋系統(tǒng)流動(dòng)不穩(wěn)定性的整個(gè)演化過(guò)程的機(jī)理,后者可以很好的解釋復(fù)合型脈動(dòng)的演化機(jī)理,特別是同步化現(xiàn)象。
　　根據(jù)混沌時(shí)序分析計(jì)算結(jié)果,證明所研究系統(tǒng)中存在混沌、同步化與分岔等典型非線性現(xiàn)象并解釋其機(jī)理。首先,譜分析、吸

4、引子重構(gòu)、龐加萊截面圖和幾何不變量計(jì)算結(jié)果表明,不規(guī)則復(fù)合型脈動(dòng)是典型的混沌振蕩,這是因?yàn)榘l(fā)生不規(guī)則復(fù)合型脈動(dòng)時(shí),自然循環(huán)系統(tǒng)的各項(xiàng)影響因素都不能單獨(dú)起主導(dǎo)作用,他們之間大小相差不大且存在著復(fù)雜的相互作用和反饋。本文還討論了搖擺參數(shù)對(duì)系統(tǒng)混沌脈動(dòng)的影響,通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),搖擺越劇烈,出現(xiàn)混沌時(shí)需要的無(wú)量綱功率越大。同時(shí)在分析中發(fā)現(xiàn),在混沌脈動(dòng)之前和之后都會(huì)出現(xiàn)規(guī)則復(fù)合型脈動(dòng),譜分析結(jié)果表明規(guī)則復(fù)合型脈動(dòng)出現(xiàn)了新的公共周期,這是典型的同步化現(xiàn)

5、象。從振子耦合的角度可以很好的說(shuō)明同步化現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理,當(dāng)線性振子或非線性振子其中之一單獨(dú)起主要作用時(shí),不占優(yōu)的振子鎖頻到占優(yōu)的振子頻率之上,形成同步化現(xiàn)象,其公共周期是波谷型脈動(dòng)與密度波型脈動(dòng)周期的公倍數(shù)。最后,在發(fā)現(xiàn)了混沌脈動(dòng)和同步化現(xiàn)象之后,分析了系統(tǒng)由同步化現(xiàn)象演變?yōu)榛煦绲牡缆?在譜分析圖以及龐加萊截面圖中發(fā)現(xiàn)了新的頻率,說(shuō)明搖擺條件下的自然循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)了倍周期分岔現(xiàn)象。倍周期分岔是周期驅(qū)迫下的非線性系統(tǒng)通常出現(xiàn)的分岔方式,是通

6、向混沌的一條重要路徑。
　　通過(guò)頻率譜演化、吸引子結(jié)構(gòu)和幾何不變量計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)等方面分析了搖擺條件下自然循環(huán)不穩(wěn)定性的非線性演化特征與機(jī)理。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn):隨著無(wú)量綱功率的增加,搖擺條件下自然循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)歷周期性脈動(dòng)→混沌脈動(dòng)→周期性脈動(dòng)→穩(wěn)定流動(dòng)的過(guò)程,在這個(gè)過(guò)程中,流量脈動(dòng)的非線性特征先增強(qiáng)后減弱,這是因?yàn)楫?dāng)無(wú)量綱功率較小或者較大時(shí),系統(tǒng)的某個(gè)影響因素單獨(dú)起主要作用,系統(tǒng)在它們的單獨(dú)作用下發(fā)生周期性脈動(dòng)或穩(wěn)態(tài)流動(dòng);當(dāng)無(wú)量功率達(dá)

7、到特定值時(shí),力量處于此消彼長(zhǎng)過(guò)程中的各因素都不能單獨(dú)起主要作用且相互之間存在相互反饋與耦合,系統(tǒng)出現(xiàn)非線性特征最為強(qiáng)烈的混沌脈動(dòng)。非線性演化特性分析展示了搖擺條件下自然循環(huán)系統(tǒng)流動(dòng)不穩(wěn)定性演化的“路線圖”,從中可以發(fā)現(xiàn)各種非線性現(xiàn)象和他們之間的演變關(guān)系。
　　最后在證明不規(guī)則復(fù)合型脈動(dòng)是混沌脈動(dòng)的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行了混沌預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)效果較好,但可預(yù)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度受最大Lyapunov指數(shù)的限制,這是由混沌脈動(dòng)對(duì)初值的極端敏感性決定的。為了