沸腾通道流量漂移的李雅普诺夫稳定性分析

【作者】 刘峰； 张博； 杨竹强； 单亚飞； 李天卉；

【机构】 大连理工大学能源与动力学院热能工程系；

【摘要】 两相流动沸腾换热具有高效热移除能力,因此被广泛应用于能源、化工以及航空航天等高热流密度领域。但是,沸腾通道往往伴随多种流动不稳定性,如流量漂移(Ledinegg)、压力降型(PDO)以及密度波型(DWO),严重削弱其换热能力,危及设备的热安全。其中,针对静态不稳定性的流量漂移,以往研究开展了较多分析。本文基于水动力多值特性,从动力系统角度,采用Lyapunov运动稳定性第一方法分析流量漂移不稳定性成因。以单通道强制两相流动为研究对象,建立简化的单通道一维两相流时空偏微分模型,采用积分降维方法进行空间近似,获取常微分方程组ODEs模型。流量漂移发生的约束条件表明,系统内外部特性曲线交汇于三点,通过Lyapunov解的稳定性分析,对各平衡点的稳定特性加以识别,建立数学平衡解的稳定性与物理流量漂移不稳定性的映射关系。研究表明,根据各平衡点特征值位置的不同,水动力多值特性N型曲线的负阻区为不稳定的鞍点,两侧正阻区为稳定的结点,因此,系统运行在负阻区会发生不稳定的流量漂移现象,即不稳定的鞍点到稳定结点的漂移;另外,由于负阻区鞍点的稳定特性,其稳定流线将相空间分割为两个区域,不稳定流线分别指向各自区域的稳定结点,根据不同的系统初始状态所处的区域,最终系统平衡解收敛于各自的正阻区;最后,针对ODEs,通过Matlab的数值求解,施加不同初值,构造系统相图,验证了该系统的Lyapunov稳定性分析的正确性。更多还原