（化学工程专业论文）汽液固三相流动沸腾传热系统的非线性特性研究.pdf

摘要 已有的汽液固三相流研究采用的是以还原论为基础的稳态线性分析方 法，这往往难以揭示系统内存在的非线性特征，从而影响对三相流机理的认 识和该技术的推广应用。本文运用确定性混沌分析技术对三相流动沸腾系统 进行非线性研究，揭示系统的非线性动力学机制，为三相流技术的应用提供 更加坚实或全新的理论依据。 以中药浸取液蒸发浓缩生产装置为应用背景，自行建立了一套汽液固三 相流动沸腾传热实验装置及参量的微机自动测试系统，实验测出了能够反映 流动沸腾传热演化信息的汽液两相及汽液固三相关键参量的时间序列，为该 系统的混沌分析提供了基础数据。然后应用确定性混沌分析技术并结合传统 分析方法对不同变量时间序列进行了非线性分析，并讨论了不同加热管以及 不同轴向位置传热非线性特性的差异。 研究结果表明：加热管内汽液两相及汽液固三相流动沸腾传热在一定实 验条件下具有混沌特性：非线性特征量关联维数和k 熵随操作条件的变化而 变化并且具有多值性，多值性反映出系统具有多尺度行为；由中尺度下的关 联维数可以确定系统的自由度为2 ，即描述此流动沸腾系统的宏观运动至少需 要两个独立变量；受管内流体的流动状况及加热蒸汽进口位置的影响，不同 加热管的定性和定量非线性特性存在较大差别；加热管不同轴向位置处的非 线性特性也存在较大差别：采用压差和传热系数时间序列对沸腾系统进行非 线性分析与采用壁温时间序列的定量结果基本一致；传热特性与非线性特征 量间存在一定的联系，具体的定性及定量关系有待进一步研究。 关键词：汽液固三相流动沸腾非线性确定性混沌分维 a b s t r a c t t h ep r e v i o u ss t u d i e so nt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rb e h a v i o rf o rt h es y s t e mo f v a p o r - l i q u i d s o l i df l o wb o i l i n ga r eb a s i c a l l yb a s e do nt h es t e a d y - s t a t ea n dl i n e a r a n a l y s i sm e t h o d s ，a n dt h en o n l i n e a rf e a t u r e se x i s t i n gi nt h i sc o m p l e xs y s t e ma r e o f t e nn e g l e c t e d i ti sn o tf a v o r a b l ef o rt h es t u d ya n da p p l i c a t i o no ft h i st e c h n i q u e i nt h i s p a p e r ，d e t e r m i n i s t i c c h a o s t h e o r y i s a p p l i e d t o s t u d y t h en o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c so ft h i sf l o wb o i l i n gs y s t e m ，s oa s t o s u p p l ym o r es o l i dt h e o r y f o u n d a t i o nf o rt h ev a p o r - l i q u i d s o l i df l o wt e c h n i q u e o nt h eb a s e o ft h e e v a p o r a t i o n i n s t a l l a t i o no ft c m ，a na p p a r a t u sa n d p a r a m e t e r a u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e mo fv a p o r 。l i q u i d - s o l i df l o wb o i l i n gw a s e s t a b l i s h e d m a n yt i m e - s e r i e s d a t ao fk e yp a r a m e t e rt h a tc o u l dr e f l e c ts y s t e m e v o l u t i o ni n f o r m a t i o no f v a p o r l i q u i da n dv a p o r l i q u i d s o l i ds y s t e m s a r em e a s u r e d f o rc h a o t i c a n a l y s i s t h ea n a l y s i s m e t h o do fd e t e ，r m i n i s t i c c h a o s t h e o r ya n d t r a d i t i o n a lm e t h o d sa r eu s e dt oa n a l y z et h et i m e s e r i e so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s t h e i n v e s t i g a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t v a p o r - l i q u i dt w o - p h a s e a n d v a p o r - l i q u i d - s o l i dt h r e e - p h a s e f l o wb o i l i n gs y s t e m se x h i b i tc h a o t i cb e h a v i o ra t c e r t a i no p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h ev a l u e so fn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s s u c ha sc o r r e l a t i o nd i m e n s i o na n dk e n t r o p y a r ed i f f e r e n tf o rd i f f e r e n ts t e a m p r e s s u r ea n ds o l i dh o l d u pa n dm u l t i v a l u e sa r eo b t a i n e d f o rt h es a m eo p e r a t i o n c o n d i t i o n a c c o r d i n gt ot h ev a l u eo fd 2 f o rm i d d l e - s c a l e ，ad e g r e eo ff r e e d o mo f2 i sd e t e r m i n e d ，n a m e l y , t w oi n d e p e n d e n tv a r i a b l e sa r ed e m a n d e dt od e s c r i b et h e w h o l em o t i o no ft h eb o i l i n gs y s t e m a f f e c t e db yt h ef l o ws t a t ei nt h et u b ea n dt h e p o s i t i o no ft h ei n l e to fs t e a m ，t h eq u a l i t a t i v e a n dq u a n t i t a t i v ec h a r a c t e r i s t i c so f e v e r yt u b ea n dd i f f e r e n ta x i a lp o s i t i o no fe v e r yt u b e a r ed i s t i n c t t h ea n a l y s i s r e s u l t so ft i m e s e r i e so fp r e s s u r ed i f f e r e n c ea n dh e a t t r a n s f e rc o e m c i e n ta tt h e u p p e rp a r to fe v e r yt u b ea r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h o s eo ft h es i g n a l so fw a l l t e m p e r a t u r e t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h en o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c s a n dh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si sc l o s e k e yw o r d s ：v a p o r l i q u i d s o l i dt h r e e - p h a s e ，f l o wb o i l i n g ，n o n l i n e a r ，d e t e r m i n i s t i c c h a o s ，f r a c t a l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘兰或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：6 氢姒 签字日期： d o 口多 年f 2 月8 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生盘鲎 有关保留、使用学位论文的规 定。特授权墨洼盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：g 鼓镟权 签字日期：i l o p 弓年上月埸日 导师签名易f 嗍专 签字日期：形畛年z 月杉日 第一章前言 第一章前言 应用汽液固三相流技术将惰性固体颗粒加入到汽液两相流动沸腾系统 中，形成汽液固三相流，可以较好地解决换热装置在运行过程中出现的壁面 结垢和传热强化问题，达到节能、降耗和连续化生产的目的。但是，由于沸 腾现象的复杂性和测试手段的局限性，目前人们对于一些强化技术难以做出 严格和详细的定量分析，对一些强化技术机理的研究也不够。研究者往往只是 通过实验总结出不同颗粒的强化传热特性与颗粒密度、导热系数、比热等的 定性关系，指出在不同条件下不同颗粒强化传热的最佳颗粒体积分率；在机 理模型设想基础上建立的沸腾传热计算式，不仅精度不够高，而且都包括了 误差较大的实验测量参数，且以大量实验数据拟合出的换热关联式应用范围 窄，不具有通用性。因此，以此为基础进行换热装置的设计时，只能依据一 个考虑一定安全系数的传热系数值进行设计计算。这种较“简化”的设计方 法，必然具有一定的不确定性和较大的经验型。同时，汽液固三相流沸腾换 热装置在运行过程中存在着运作不稳定性现象，尤其是工业化生产装置，情 况更是如此。这些问题的存在制约着多相流技术产业化推广和应用，因此， 迫切需要进一步加强与之相关的基础理论研究。 沸腾传热理论体系的完善程度之所以远远落后于热传导、单相对流和辐 射等传热，是由于其研究方法是建立在还原论的基础上，数学方法是线性的， 而沸腾系统作为一种复杂的相变传热过程，是非平衡的、非线性的、随机的、 复杂的和非还原性的，必须用整体的系统论思想和非线性的数学工具来加以 研究。一些研究者引入非线性科学理论对沸腾系统进行研究，指出活化核心 或气泡间非线性相互作用以及核化过程的非线性动力学等非线性因素是沸腾 系统中存在非线性现象的来源，是沸腾传热机理难以预测的原因之一，因此 需要运用确定性混沌分析技术加强沸腾传热的非线性研究。 确定性混沌分析技术以混沌理论为基础，研究确定性系统中出现的貌似 随机的非线性动力学行为。多相流系统是一种变量相关的复杂的非线性系统， 第一章前言 单靠现有非线性理论和方法解决实际应用中存在的问题还很困难。近年来， 国内外一些研究者将非线性混沌理论应用于多相流领域，取得了较好的效果。 迄今为止，多相流动中气固、气液固等流化床的非线性研究较为深入和系统， 这些研究为多相流传热的非线性研究提供了新的视角。多相流传热的非线性 研究虽然相对较少，但是也得到了一些很有意义的结论。某些研究者运用确 定性混沌分析技术对无相变的气固、气液固、液液固等多相流化床中的传热 特性进行了研究，发现在特定操作条件下，这些系统均具有混沌特性，其关 联维数、k 熵等非线性特征量可以作为刻画该系统吸引子特征的定量工具。对 于有相变的多相流沸腾系统中的传热非线性研究，由于可调节参数较少，操 作条件的准确控制比较困难，研究不多且研究结果也不太成熟。而且，这些 研究也仅限于汽液两相流中混沌特性的证明、定性和定量特征的刻画。虽然 已经证明汽液固三相流化床中可能存在非线性行为，但是对其传热特性的混 沌研究国内外还几乎未见报到。因此，引入系统论的观点，对汽液固三相流 系统进行非线性研究，验证该系统是否具有混沌特性，揭示非线性特征量与 传热特性间的定性定量关系，从而为汽液固三相流化床的设计、放大及应用 提供依据。 在本文中，将运用确定性混沌分析方法对汽液固三相流化床中非线性传 热特性进行研究。实验是在自行建立的以中药浸取液蒸发浓缩生产装置为应 用背景的汽液固三相流自然循环蒸发器上进行的，重点讨论了热通量和固体 颗粒体积分率对汽液和汽液固三相流动沸腾传热特性的影响。应用确定性混 沌分析技术对实验测出的汽液两相和汽液固三相流动沸腾关键参量的时间序 列进行了非线性分析，这些研究可以为三相流技术的推广和应用提供更加坚 实或者全新的基础理论支持。 2 第二章文献综述 引言 第二章文献综述 运用汽液固三相流技术将惰性固体颗粒加入到汽液两相流动沸腾系统 中，形成汽液固三相流，可以较好地解决换热装置在运行过程中出现的壁 面结垢和传热强化问题【1 ，2 l 。但是，目前在汽液固三相流技术的应用中存 在着比较突出的设计和运作不确定性问题。这些问题的存在制约着汽液固 三相流技术的产业化推广和应用。因此，迫切需要进一步加强与其相关的 应用理论研究，为该技术的应用提供更加坚实的或者全新的应用理论支 持。同时，由于沸腾系统是非平衡的、非线性的、随机的、复杂的、和非 还原性的，必须用整体的系统论思想和非线性的数学工具来研究。因此运 用确定性混沌分析技术对多相流动沸腾系统进行非线性研究，虽然并非唯 一的，却是较合理、较有希望解决问题的途径。 2 1 沸腾传热及其强化技术 2 1 1 沸腾传热 沸腾传热是一种重要的传热方式，在工业中应用非常广泛，迄今为止 对其流型及传热机理的研究也较多。沸腾换热是通过大量汽泡的形成、成 长和运动将工质由液态转变为汽态的一种剧烈的蒸发过程，是一种高强度 的伴随着相变的对流传热传质过程。人类对沸腾传热现象的研究始于 17 5 6 年j d ，l e i d e l l f o r s t 对高温金属板上的液滴蒸发速率的测量。但是在 19 3 0 年以前的一百多年里，对沸腾传热现象的研究工作只是一些零星 第二章文献综述 的、探索性的试验。m j a k o b 等在1 9 3 1 年提出了一些具有启发性的见 解和实验结果，如沸腾液温度过热以及沸腾传热方式等。19 35 年， s n a k i y a m a 4 】将金属丝浸没在大空间液体中进行实验，得到了著名的、 沿用至今的沸腾换热曲线。1 9 3 5 年r b e c k e r 等提出了在纯液体中的起泡 和核化理论。但是这些宏观的、具有很大局限性的实验和研究结果，远远 不能满足日益发展的设计需要和改进沸腾传热元器件的要求。上世纪五十 年代后，美国、前苏联和日本的学者对汽泡的形成、成长和运动规律以及 沸腾机理、沸腾传热关联式等各方面做了十分出色的研究工作【5 , 6 1 。进入 七十年代后，国内对于沸腾传热的研究开展了不少工作，涉及汽液两相 流、汽泡生长规律、膜态沸腾和沸腾传热强化等各个方面，取得了一批可 喜的成果【7 。”。近年来，沸腾传热已经发展成为与多种重要工业技术部门 有密切联系的较活跃的一门传热学分支学科。目前，沸腾传热研究领域内 的主要研究内容和发展方向为沸腾机理的研究，沸腾危机的预测以及传热 膜系数的关联等。 按照沸腾液体的流动特性，沸腾换热可以分为池沸腾( p o o l b o i l i n g ) 和流动沸腾( f l o wb o i l i n g ) 两种。前者是指沉浸于原为静止的 大容器内的加热面上的液体所发生的沸腾。而流动沸腾则是指在定向运动 的液体中发生的沸腾。流动沸腾既是液体的沸腾过程，又是两相流体的流 动过程，而且两个过程相互关联，相互影响。因而它远较池沸腾复杂，而 且在工业应用中更为重要。 随着动力、宇航、原子能反应堆及其它有关技术和工业的发展，两相 流沸腾技术得到了广泛的应用。汽液两相流动沸腾换热是化工、轻工、医 药、动力、及核能等行业的关键技术之一。但是，换热装置在运行过程中 不同程度地存在着壁面结垢和传热强化问题。垢层的存在不仅使换热速率 下降、流动阻力增加，造成能耗增加，而且还将影响设备的安全和寿命。 虽然也开发研究了一些防治措施，例如：化学和物理清洗等，但是防治效 果并不理想j 。 4 第二章文献综述 2 1 2 沸腾传热强化技术 早在19 3 1 年，传热学先驱j a c k o b l l2 1 就对沸腾传热的强化技术进行 过探讨，但是由于就整个过程而言，沸腾换热热阻非常小，在总传热热阻 中实际上可以忽略不计，所以人们对沸腾传热强化技术的研究一直没能给 予足够的重视。然而，到上世纪6 0 年代后期，由于单相对流换热强化技 术的迅猛发展，使得非相变侧的热阻已经小到可以与相变侧热阻相比，而 且由于对大规模集成电路元件等冷却的需要，沸腾传热的强化技术才受到 人们的普遍重视，得到快速发展。 耳前较为成熟的沸腾传热强化技术绝大多数都是扶改善换热表面特性 使之为汽泡的形成、成长和跃离以及汽液交换提供更为有利的条件出发 的。从上世纪7 0 年代起，学者们在池内沸腾传热研究的基础上，开始探 索将惰性固体粒子加入纯净液体的沸腾传热过程。g a b o r 等将固体颗粒加 入到池沸腾的水中，发现固体颗粒的存在使汽泡更容易分离。d h j r 和 j o n e 3 证实了加热表面处固体颗粒层形成了汽体通道以及壁面上所形成 的汽泡和自然对流导致壁面处的颗粒层流化。其他学者的研究成果均表 明，固体颗粒的存在不仅可以强化传热，而且还可以有效地改善沸腾传热 的滞后特性【1 4 “6 1 。这种强化沸腾传热技术的实质是利用固体颗粒促进加 热面上汽泡的形成或强化流体的扰动，改善加热壁面处液体边界层与远离 加热面主流液体之间的循环条件。 2 1 3 三相流强化传热及防、除垢技术 进入二十世纪八十年代，一些研究者将固体粒子加入到管内两相流动 沸腾蒸发系统中，对固体粒子强化流动沸腾传热及防、除垢效果进行了初 步的研究，取得了部分显著的效果，应用前景十分广阔m ，” 。 李修伦，刘绍丛在汽液两相流动沸腾系统中加入玻璃球粒子形成汽 液固三相流沸腾传热系统，并对其传热性能进行了研究。研究表明：与汽 液两相流动沸腾传热系数相比，汽液固三相流动沸腾传热系数提高约两 第二章文献综述 倍，同时固体粒子的加入还有很好的防垢效果，沸腾传热过程的稳定性也 有很大提高。他们对固体粒子强化传热和防、除垢作用的解释是： ( 1 ) 固体粒子的加入增加了汽化核心，强化了泡核沸腾传热： ( 2 ) 固体粒子破坏了传热边界层，增强了流体的湍动程度，强化了对流 传热： ( 3 ) 固体粒子频繁撞击加热壁面，有效防止了垢层的产生。 李修伦，闻建平19 2 1 1 采用铜粒子代替玻璃粒子，对上述汽液固三相 流沸腾传热过程进行了进一步的研究，发现其强化传热效果大为提高。 他们认为这是因为铜粒子的密度、导热系数和比热均比玻璃球粒子高所 造成的。 在上述研究的基础上，李修伦，张利斌 2 2 , 2 3 1 开发了一种新型的汽液 固三相循环流化床蒸发器，实现了固体粒子的分离和再循环，满足了工 业生产的实际需要，得到了国内许多产业部门的广泛关注。他们以饱和 盐卤为工质，在蒸发器管外采用饱和水蒸汽加热，研究了这种新型蒸发 器的强化传热和防、除垢性能。并对不同固体粒子( 玻璃球，陶瓷球， 钛粒和钢球) 的强化传热和防垢效果进行比较。发现导热系数高的固体 粒子比导热系数低的固体粒子强化传热效果好。 李秀伦 2 4 1 对上述蒸发器的强化传热和防、除垢性能做了迸一步研 究，对惰性粒子种类的选择、固体粒子的磨损情况以及系统的压降等进 行了较深入的研究，并提出了最优工艺参数范围。他们认为：固体颗粒 对流动沸腾传热过程的强化效果不仅与其密度、比热、导热系数等物性 参数有关，还与工质对固体颗粒的润湿性能有关。 邹克华【2 5 1 利用电加热系统研究了三相流化床的流动沸腾传热和压 降，以烧碱溶液为工质，探讨了加入固体颗粒后烧碱溶液蒸发沸腾装置 的防、除垢性能，从而拓宽了汽液固三相循环流化床蒸发器的应用范 围。 h i d e t o s h i 【26 】等在用于海水加热与浓缩的装置中加入固体颗粒，研 究了传热面上硫酸钙垢层的清除效果。当颗粒浓度约为4 5 5 0 k g m 3 时，垢层的最终除去比例有一个渐进值。 6 第= 章文献综述 于志家1 2 7 , 2 8 1 等在两相流载气蒸发沸腾系统中加入固体颗粒，发现不 仅壁温以及壁面液体过热度明显下降，沸腾传热可以得到显著强化，而 且气液固三相流动沸腾具有良好的防垢、抗垢性能和一定的除垢作用。 并提出，固体颗粒的运动对已有的垢层具有明显的冲刷作用。于志家 2 9 】 等在垂直环隙内的流动沸腾过程中加入固体颗粒，对其传热性能进行了 研究，也得到了与文献【30 l 相似的结论。 张少峰，陈健生【3 1 ，3 2 1 等人以饱和盐卤为工质，研究了自然循环状态下刚 玉粒子对饱和盐卤蒸发的强化传热和防、除垢性能。实验表明：固体粒子 在自然循环条件下仍有较好的强化传热和防、除垢效果。自然循环的操作 方式因其能耗低及设备投资少而具有一定的实用价值。 。 在传热机理方面，研究者【2 1 , 2 3 , 2 4 ，2 5 ，3 1 ，3 2 1 以j c c h e n 33 1 的双机理模 型为基础，根据相应过程的特点建立了汽液固三相流动沸腾传热模型，模 型的预计值与实验数据吻合较好。 2 2 多相流系统引入确定性混沌分析的必要。i 生 由于沸腾现象的复杂性和测试手段的局限性，现阶段人们对于一些强 化技术难以做出严格的和详细的定量分析，对一些强化技术的机理也研究 的不够深入。一些研究者只是通过实验总结出不同颗粒的强化传热特性与 颗粒密度、导热系数、比热等的定性关系，指出在不同条件下不同颗粒强 化传热的最佳颗粒体积分率；在机理模型设想的基础上建立的沸腾传热计 算式，精度不够高，而且都包含了误差较大的实验测量参数；且以大量实 验数据拟合出的换热关联式应用范围窄，不具有通用性。迄今为止，大部 分汽液固三相流传热系数的计算式是根据双机理叠加模型、强化传热模型 和渐近模型等的思路，并借鉴汽液两相流动沸腾换热和气固或液固流态化 传热的研究成果而建立的，并没有考虑系统的动力学特性和结构特征。因 此，以此为基础进行换热装置的设计时，也就忽略了系统内的时空结构特 征，而只依据一个考虑一定安全系数的传热系数值进行设计计算。这种 “简化”的设计方法，必然具有较大的不确定性和本质上的经验型。同 时，汽液固三相流沸腾换热装置在运行过程中存在着运作不稳定性现象， 第二章文献综述 尤其是工业化生产装置，情况更是如此。运作不稳定性现象不但会造成传 热性能的强烈变化，而且还会造成固体颗粒在加热管中分布不均匀，产生 架桥堵塞的现象。 多相流动现象广泛存在于自然界和许多工业过程中。由于气、液相界 面的变形和运动等原因，使得相界面运动具有动态特性，表现出强烈的非 线性。反映多相流动特性的参数波动过程同样具有非线性特征，在多数流 型下并不满足随机运动模型。多相流系统是个多变量相关的复杂非线性 系统，其主要特征为随机性和复杂性，当然，在此复杂现象中，也必然存 在着某种规律性，这种规律性表现为一系列混沌的运动。若仅采用传统的 基于线性原则的分析方法，如谱分析技术、随机分析技术等，不能深入地 从本质上揭示动态的、非线性的多相流动及传递性能和流动机制【3 4 1 。因 此，对这些多相流动复杂过程的研究，运用非线性混沌和分形理论是十分 必要的。混沌和分形方法就是直接从非线性复杂系统入手，从不经简化利 抽象的研究对象本身去认识系统的内在规律性。 沸腾传热理论体系的完善程度远远落后于传导、单相对流和辐射等常 规传热，不仅由于沸腾传热是一种复杂的相变传热过程，而且因为它的研 究方法是建立在还原论的基础上，数学方法是线性的。但是，沸腾系统是 非平衡的、非线性的、随机的、复杂的和非还原性的，必须用整体的系统 论的思想和非线性的数学工具来研究。因此，迫切需要运用确定性混沌分 析技术加强沸腾传热的基础理论研究。 近十多年来，许多研究表明：汽液两相流动沸腾系统、气液固三相流 化床系统等均具非线性行为特征f 35 ，”】，汽液固三相流动沸腾换热系统很 可能也不例外。再分析一下三相流系统不难发现，它具有如下非线性系统 的典型特征：( 1 ) 开放性：不断与外界环境进行着物质利能量交换； ( 2 ) 非平衡性：相变时加热壁面附近存在较大的过热度：( 3 ) 时空有序 结构：遥过能量耗散和系统内部的非线性动力学机制形成并维持着这种结 构；( 4 ) 非线性：三相流动和传热以及传质的耦合、复杂的相间相互作 用以及边界条件影响都是非线性作用机制。因此，该系统应该是一个非线 性动力学系统。而目前对该系统的研究还是以还原论为基础的稳态线性分 析，无法揭示系统的非线性动力学特性和有序结构特征。 第二章文献综述 因此，运用系统论观点对汽液固三相流动沸腾系统进行非线性理论研 究，有希望将沸腾传热的理论基础研究带入一个更深的层次。同时，由于 这些问题也不同程度地存在于其它诸如气固流化床、气液鼓泡塔、气液固 三相流化床等多相系统，因此，加强这方面的理论基础研究对于其它多相 流技术的研究和应用也有重要的借鉴和指导意义。 2 3 确定性混沌分析技术 确定性混沌分析技术以混沌理论为基础，研究确定性系统中出现的貌 似随机的非线性动力学行为。混沌不是简单的无序，而是没有明显的周期 和对称，但却是具有丰富的内部层次的复杂有序结构，又称混沌序结构， 是非线性系统中的一种新的存在形式。自从8 0 年代初，混沌理论与实际 应用结合起来，在许多领域显示出越来越强的理论意义和实用价值。 确定性混沌分析可以从模型方程出发，也可以从实验入手。可是，迄 今为止，仍然缺乏满意的描述多相流动系统的数学模型，因而难以直接由 模型方程出发进行非线性行为的理论分析。对于决定系统长期演化的任一 变量的时间演化，均包含了系统所有变量长期演化的信息，因此就可以通 过实验中准确测量的反映系统动力学特性的单变量时间序列，对该系统的 动力学行为进行研究，这正是确定性混沌分析技术的优势所在 ”。 确定性混沌分析方法既包括定性分析方法又包括定量分析方法。定性 分析包括相图或拟相图等：定量分析包括l y a p u n o v ( 李雅谱诺夫) 指数 分析、关联维数分析和k o l m o g o r o v 熵分析等；同时，还要与传统的分析 方法相结合 3 8 , 3 9 】。有关这些分析技术的物理意义和算法详见第三章部分 内容。 第二章文献综述 2 4 多相系统中的非线性研究进展 2 4 1 沸腾系统中的非线性研究 针对沸腾系统非平衡、非线性、随机性、复杂性和非还原性的特点， 某些研究者试图把沸腾传热学和研究自然界复杂现象之规律的非线性科学 联系起来，建立了一门新的交叉学科分支一一非线性沸腾传热学。目前， 非线性科学中的耗散结构理论、协同学理论、分岔理论和随机理论等分支 在沸腾传热学的研究方面都有了明显的进展，这预示着这是一个极有发展 前景的领域，将把传热学的机理研究带入更深的层次。 柴立和，彭晓峰1 4 0 等对非线性理论在沸腾传热方面的研究进展进行 了较为全面的总结。他们认为：沸腾传热系统中，当过热度达到一定值 时，系统将进入远平衡区，热力学力和热力学流呈非线性唯象关系，系统 内部将发生长程关联的非线性的相互作用，为形成有序的耗散结构提供了 前提条件。在这种非平衡的核态沸腾过程中，由于汽泡不断产生和长大， 沸腾系统一方面从外面吸收能量，另一方面该不可逆过程耍耗散一部分能 量，随着物质和能量不断交换和耗散过程中形成和维持了一种有序结构， 这种结构形式就是耗散结构。实际沸腾核化过程，汽泡间存在非线性相 互作用，但是整个系统行为由很少数几个序参量所决定，这时很复杂的系 统也表现出很有规律的行为：由以液体分子无规则运动为特征的单相对流 过渡到以汽液分子协调控制为特征的核态沸腾阶段，系统的结构变得更为 有序了。显然，核态沸腾是一种典型的耗散结构。同样，通过 办同效应， 汽液协调控制的过渡沸腾阶段转变为以汽体分子控制液体分子为特征的稳 定膜态沸腾阶段，显然膜态沸腾是一种更为有序的耗散结构形态。 分岔理论是研究平衡点之间的过渡和转化的( 静态分岔) 、平衡点利 周期解之间的过渡和转化( h o p f 分岔) 、周期解和混沌解之间的过渡和 转化( 倍周期分岔) 等问题的理论。突变理论是描述自然科学和社会科学 中非连续现象的主要数学工具。它从分类定理出发，根据函数临界点进行 分类，将各种领域的突变现象归纳到不同类别的结构中去，进而研究各种 第二章文献综述 临界点附近非连续性态的特征。根据分岔和突变理论，可以把沸腾形态的 转变理解为种分岔和突变现象。过热度和扰动是影响沸腾形态相互转变 过程中突变和滞后的主要因素。从自然对流到核态沸腾的转变实际上对应 着汽液相界面失稳的亚临界分岔，从核态沸腾过渡到膜态沸腾的转变实际 上对应着汽液界面失稳的超临界分岔。沸腾系统的倍周期分岔的发生往往 诱发混沌”。 沸腾系统是一种典型的复杂系统，具有内在的随机性。对沸腾系统的 传统描述采用的是线性论和决定论的方法，不能反映沸腾系统的本质。由 于沸腾过程实际上就是汽泡成长、扩展和干斑形成长大的过程，因此汽泡 和干斑演化的随机性也就决定了整个沸腾过程的随机性 4 2 】。 相变涨落关联理论认为沸腾形态的转变实际上对应着热力学上的非平 衡相变。在形态转变的临界点，存在涨落相关，不仅强度很大，而且相关 长度很长。对于从自然对流到核态沸腾的转变，过热度达到一定值时，自 然对流系统中的一些随机涨落引起的相界面便会出现一定长度的相关，从 而促使自然对流到核态沸腾的转变。而对于从核态沸腾到膜态沸腾的转 变，当过热度达到某一高值时，核态沸腾系统中干斑的界面也会出现长程 相关，从而促使核态沸腾到膜态沸腾的转变【4 ”。 柴立和、彭晓峰f 4 4 一】等对沸腾系统中的分岔和突变现象进一步进行 研究，指出核化中的不断分岔现象是导致活化核心随机开关利壁温呈混沌 特性的主要原因，对传统的等壁温传热模型和人们所广泛采用的平均活化 核心密度的概念提出了挑战。还利用突变理论的基本思想，深入分析了流 速、过冷度和重力对过渡沸腾的影响。他们分析了多个活化核心或汽泡间 非线性相互作用及核化过程的非线性动力学特性，指出沸腾系统是一个典 型的复杂非线性系统，以往建立在平均化和线性化基础上的沸腾传热理论 和传热模型具有先天的不足。在对材料的物性和厚度引起汽泡和干斑间热 相互作用，进而导致壁面温度分布不均的研究基础上，从汽泡数目平衡的 角度导出了汽泡尺寸分布函数，提出了计算沸腾传热的新思路。随着过热 度和气泡半径的增大，非线性因素的作用会越来越强，且确信由于非线性 因素的存在，沸腾系统中确实会产生混沌现象1 4 6 , 4 ”。 第二章文献综述 p s a d a s i v a n ，c u n a l ，r n e l s e n 9 1 对高热通量下核态沸腾换热的非线 性方面进行了研究，建立了计算模型并将其应用于真实加热壁面。研究结 果表明：加热表面活化核心的开关作用是沸腾系统中存在非线性现象的来 源，同时还可能存在多种非线性作用；核心间的热相互作用造成一些核心 的间歇操作，使得加热壁面上会出现显著的时空温度变化；并指出活化核 心间的热相互作用是沸腾传热机理难以预测的原因之一。壁面平均温度随 热通量增加出现周期叠加进而打破周期性，这预示着系统中可能存在混沌 现象。k e n n i n g 【5 0 】利用液晶技术也观察到活化核- t l , 存在间歇操作，指出活 化和非活化核心间的热反馈造成加热表面的温度分布不均一，其它的核心 的活化受已经活化的核心的影响。s h o i ie ta 1 【”】报道了沸腾系统中存在 分形维数，这证明了沸腾系统中确实存在混沌非线性行为。m a s a h i r o s h o i i y u t ot a k a g i 5 2 认为活化核一t h , 的鼓泡动力学行为是影响沸腾现象的 关键因素之一。他们对铜板上三种不同形状的人造核心进行研究，发现： 圆锥形的孔穴呈现大幅度的高度间歇鼓泡，温度时间序列的重构相图展示 了鼓泡过程的非线性行为，相当低的关联维数和正的最大李雅谱诺夫指数 表明系统中存在低维混沌。圆柱形和凹形孔穴呈现小幅度的连续鼓泡，气 泡脱离间隔的回归相图预示着系统中可能存在确定性混沌。h t l i u ， s k a k a ca n df m a y i n g e r 【53 l 对向上流动沸腾系统的过渡沸腾传热特性和 热振荡进行了研究。发现：在过渡流动沸腾区存在高频小尺度和低频大尺 度两种壁温波动，高频模式是过渡沸腾本身所固有的，而低频模式是个 取决于加热壁面热容、轴向热传导和过渡沸腾特性的系统模式。在流体力 学不稳定条件下，这种温度波动的系统模式将会被加强，形成热振荡。壁 面热容和流动过渡沸腾的传热特性是热振荡的动力学来源，轴向热传导是 不稳定因素。流体力学不稳定性增强了沸腾区域边界的移动，这样一来就 引导另外的混沌振荡变为周期振荡，还使临界热通量减小，引起干涸的过 早发生。 从以上分析可以看出，沸腾系统是一个存在多种非线性相互作用的复 杂系统，必须用整体的系统论的思想和非线性的数学工具对其进行研究。 以往研究者只是对其中的一个或多个非线性影响因素进行研究，指出沸腾 系统可能会出现倍周期分岔通向混沌。并主要侧重于研究这些具体的非线 第二章文献综述 性作用，并未运用确定性混沌分析技术对系统的整体混沌特性进行定性及 定量研究。 2 4 2 运用确定性混沌分析技术进行多相流传热研究的进展 众多研究成果表明，将非线性分析技术用于多相流领域之中，可以有 效地揭示系统的内在规律，具有广阔的发展前景。确定性混沌分析技术作 为研究非线性复杂系统的有效工具在多相流领域已得到了较广泛的应用。 运用非线性概念和理论分析多相流动及传递特性，是近十多年来国内外学 术界比较关注的研究方向。虽然该方面的研究比较困难，也很不成熟，但 是，仍然取得了一些创新性成果。多相流动中气固、气液固等流化床的非 线性研究较为深入和系统，这些研究为多相流传热的非线性研究提供了新 的视角 5 4 , 59 】。多相流传热的非线性研究虽然相对较少，但是也得到了一 些很有意义的结论。 2 4 2 ，1 无相变多相流系统中传热的混沌特性研究 气固流化床中的传热研究较多。国外研究中如：l uh u i l i n ，d i m i t r i g i d a s p o w j a c q d e sb o h i l l a r d 1 6 o j 运用混沌理论对一个两层气固循环流化 床中的局部瞬态温度信号进行了分析，通过重构相空间获得关联维数并用 其来估计分形维数、嵌入维数和系统自由度。由关联维数的高频小尺度利 低频大尺度两个值可以确定流化床中两个截然不同的流区，并指出混沌h i + 间序列分析方法( 关联维数) 是一个对复杂现象定量化分析的方法； dv p e l l c e ，d e b e a s l e y ，j b r i e s t e r 【6 l j 利用热通量传感器对处于鼓泡 区的水平加热的气固流化床中的瞬态传热信号进行了研究，以传统分析方 法如功率谱作为定性分析工具证明流化床中的传热行为可能具有混沌特 性，而非线性定量分析技术如关联维数、k 熵的具体数值则提供了测量信 号内在复杂度的有益方法。研究表明：鼓泡区内关联维数与流化速度无 关；k 熵可用来描述加热表面流体力学条件的基本变化：通过相图中的轨 迹可以区别加热表面两种截然不同的乳化相接触。在国内，运用确定性混 第二章文献综述 沌理论对气固流化床中传热特性进行的研究较少。袁竹林，沈湘林 6 2 , 6 3 】 等运用最新发展起来的混沌理论对流化床内壁传热表面温度波动进行了分 析研究，发现温度变化具有显著的混沌特性，温度信号的吸引子比压力、 空隙度信号吸引子更为复杂。具有相同平均传热系数的时间序列所构成的 吸引子可有很大差异，可能存在着完全不同的传热动力学特性。他们提出 了相同吸引予的轨道概率识别法，以嵌入空间吸引子相同为原则，所得到 的流化床传热放大设计的关联式符合系统动力特性的内在规律，由此得出 的关联式更为合理可靠；陈亚非，高翔1 6 4 等对气固两相流传热过程中的 瞬态传热特性进行了试验研究，利用混沌理论对其传热的内在规律进行了 分析和探讨，并进一步引入k 熵和关联维数的概念对气固两相流传热系统 的混沌程度进行了定量分析。结果显示：固体颗粒浓度增加，关联维数和 k 熵也随之提高，传热系数也随之增加。所以此系统混沌程度越高对传热 越有利。 y o i l gj u nc h o ，s aj u n gk i n l 【”l 等采用确定性混沌分析技术对气液 固三相循环流化床中加热器和床层之间的温度差波动进行了研究，发现温 度波动可以做为刻画三相循环流化床上升管中传热现象的定量工具，传热 系数与上升管中温差波动和鼓泡特性如气泡弦长、上升速度和频率有密切 关系。互信息函数、相图和香农熵可以作为描述三相流化床中传热现象的 有效工具。 k w a n gj w o o ，j u ns k i m ，y o n gk a n g 【6 刨等研究了液液固流化床中 混沌温度波动对传热系数的影响。应用多维相图和k 熵来描述床层的传热 系数波动的混沌行为。发现：总传热系数与温度波动的k 熵和传热系数的 波动范围呈现出反比关系；温度波动的k 熵和传热系数的波动范围随分散 相速度的增加而增加，随气泡尺寸的增加而减小，但是它们随连续相速度 和床层空隙率的变化均达到最小值。可以将传热系数及其波动范围拟合成 k 熵的函数，并利用它通过在线测量的温度波动进行非线性传热的预测。 4 第二章文献综述 2 4 2 2 沸腾系统中混沌特性的研究 对沸腾系统中的传热主要是对汽液两相流中的传热非线性特性进行的 研究。l a h e y 【67 】较早地将混沌科学中的分形、分叉理论应用到两相流动和 传热领域，成功地揭示了沸腾管内密度波脉动的非线性特性，从而表明该 数学理论可以用来揭示两相流动系统的某些非线性规律：d a r i 0 d e i m a s t r o ，a l e i a l l d r oc l a uss e 【6 引对自然循环沸腾实验装置进行了研 究，相轨迹在入口流率和过冷度平面上投影吸引子与许多微分方程中出现 的混沌现象非常相似，具有分形结构，表明汽液两相流动沸腾系统具有混 沌特性：a c l a u ss ea n dr t l a h e y 【”】运用混沌理论研究了沸腾流动中周 期和奇怪吸引子。发现：沸腾通道具有混淹现象；g c a m m a r a t a ， a f i c h e r a ，a p a g a n o 【”】采用非线性分析工具研究了一个矩形自然循环回 路。根据分形维数及相空间中吸引子的不规则分布指出所研究的系统可能 具有混沌行为，同时，也证明运用非线性序列分析技术进行自然循环研究 的重要性；r k o z m a ，h k o k 【7 1 】等运用分形理论对沸腾两相流循环系统 进行了研究，发现该系统具有双重分形特征，由于流型变化导致信号中自 相似性变化，从而引起分形维数的线性拟合误差对流型的变化很敏感，可 以利用这一特性对两相流型进行识别。白博峰，郭烈锦【7 2 , ”j 等对垂直上 升管中汽液两相流的传热特性进行了研究，运用压力波动信号的功率谱分 布特征对汽液两相流的流型进行客观识别。他们还研究了热流密度对螺旋 管中汽液两相流压力波动信号的影响，发现热流密度对压力波动的影响很 大，沸腾两相流的分形参数( 分数维、关联维数和k 熵) 的大小和变化规 律也与热流密度的变化有关。 在上文中只是对沸腾汽液两相流中的研究进展进行了综述。汽液固三 相流化床中强化传热特性的非线性研究在国内外几乎未见任何报道。本文 将运用确定性混沌分析方法对汽液固三相流化床中非线性传热特性进行定 性和定量分析，更好地为传热设备的设计和放大提供依据。 第= 章文献综述 2 4 3 小结 从上述分析可知，由于无相变的多相流化床研究中控制参数较多、较 灵活( 如气速、液速和加热量等) ，对这类流化床在特定操作条件下的非 线性特性研究则相对较容易和充分。然而，对于有相变的沸腾多相流化床 中的传热特性的研究，由于可调节参数较少，控制准确的操作条件比较闲 难，研究很少且很不成熟。由于设备和操作条件的限制，在许多情况下， 无法实现垂直上升管中的所有流型。尤其是利用水蒸汽加热时，对参数微 调的可能性很小，因而揭示通向混沌的道路难度较大。 虽然已经证明汽液固三相流化床中存在