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原文传递摇摆条件下自然循环流动不稳定性混沌特性分析及预测

论文题名：	摇摆条件下自然循环流动不稳定性混沌特性分析及预测
关键词：	摇摆运动;船用核动力系统;自然循环;流动不稳定性;混沌特性
摘要：	自然循环对于船用核动力系统的安全性具有重要意义,但自然循环系统本身是非线性系统且稳定性较差,海洋条件下船舶运动引入的附加加速度会改变系统的非线性特性,本文在前期实验研究的基础上,应用混沌时间序列分析方法研究了摇摆条件下自然循环系统流动不稳定性的非线性特征并对复杂混沌脉动行为进行了预测。　　本文用多种混沌时序分析方法从不同角度分析了摇摆运动条件下自然循环系统流量脉动的非线性特征。在对实验数据进行初步降噪后,通过谱分析讨论了时间序列的频谱特性,计算时间延迟和最佳嵌入维数,在此基础上通过相空间重构在相空间中刻画吸引子结构,根据庞加莱截面图构建系统分岔图,计算关联维、Kolmogorov熵和最大Lyapunov指数值等几何不变量,最后对不规则复合型脉动进行了混沌预测。　　本文从两个角度分析流动不稳定性的非线性现象与演化机理。首先,从系统耗散力与驱动力的相互作用的角度看,摇摆引起的附加外力、热驱动力与流动阻力这三个因素之间的耦合与反馈程度决定着流动不稳定性的混沌程度。其次,从振子耦合的角度看,摇摆条件下自然循环系统是周期性外力驱迫下的非线性系统,可以看作线性振子与非线性振子的耦合系统,两者的耦合程度决定了系统的非线性行为。以上两个分析角度侧重点有所不同但可以相互印证,前者可以解释系统流动不稳定性的整个演化过程的机理,后者可以很好的解释复合型脉动的演化机理,特别是同步化现象。　　根据混沌时序分析计算结果,证明所研究系统中存在混沌、同步化与分岔等典型非线性现象并解释其机理。首先,谱分析、吸引子重构、庞加莱截面图和几何不变量计算结果表明,不规则复合型脉动是典型的混沌振荡,这是因为发生不规则复合型脉动时,自然循环系统的各项影响因素都不能单独起主导作用,他们之间大小相差不大且存在着复杂的相互作用和反馈。本文还讨论了摇摆参数对系统混沌脉动的影响,通过分析发现,摇摆越剧烈,出现混沌时需要的无量纲功率越大。同时在分析中发现,在混沌脉动之前和之后都会出现规则复合型脉动,谱分析结果表明规则复合型脉动出现了新的公共周期,这是典型的同步化现象。从振子耦合的角度可以很好的说明同步化现象产生的机理,当线性振子或非线性振子其中之一单独起主要作用时,不占优的振子锁频到占优的振子频率之上,形成同步化现象,其公共周期是波谷型脉动与密度波型脉动周期的公倍数。最后,在发现了混沌脉动和同步化现象之后,分析了系统由同步化现象演变为混沌的道路,在谱分析图以及庞加莱截面图中发现了新的频率,说明摇摆条件下的自然循环系统出现了倍周期分岔现象。倍周期分岔是周期驱迫下的非线性系统通常出现的分岔方式,是通向混沌的一条重要路径。　　通过频率谱演化、吸引子结构和几何不变量计算结果变化趋势等方面分析了摇摆条件下自然循环不稳定性的非线性演化特征与机理。通过分析发现:随着无量纲功率的增加,摇摆条件下自然循环系统经历周期性脉动→混沌脉动→周期性脉动→稳定流动的过程,在这个过程中,流量脉动的非线性特征先增强后减弱,这是因为当无量纲功率较小或者较大时,系统的某个影响因素单独起主要作用,系统在它们的单独作用下发生周期性脉动或稳态流动;当无量功率达到特定值时,力量处于此消彼长过程中的各因素都不能单独起主要作用且相互之间存在相互反馈与耦合,系统出现非线性特征最为强烈的混沌脉动。非线性演化特性分析展示了摇摆条件下自然循环系统流动不稳定性演化的“路线图”,从中可以发现各种非线性现象和他们之间的演变关系。　　最后在证明不规则复合型脉动是混沌脉动的基础上,对其进行了混沌预测,预测效果较好,但可预测时间长度受最大Lyapunov指数的限制,这是由混沌脉动对初值的极端敏感性决定的。为了提高预测的实用性,本文提出了优化相空间重构参数和动态预测的方法,此方法可以提高预测精度并且可以实现持续预测,预测结果可以为核动力装置的安全运行提供参考。　　本文相关研究成果可以为摇摆条件下自然循环系统流动不稳定性的现象分析和机理研究提供依据,为进一步深入研究提供基础。
作者：	张文超
专业：	核能科学与工程
导师：	高璞珍
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文