跨臨界CO2引射製冷循環動態熱力平衡的運動穩定性理論

《跨臨界CO2引射製冷循環動態熱力平衡的運動穩定性理論》是依託西安交通大學，由鄧建強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：跨臨界CO2引射製冷循環動態熱力平衡的運動穩定性理論
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：鄧建強
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

跨臨界二氧化碳引射製冷循環中，引射器引射係數和出口乾度相互干涉，易使氣液分離器中氣相或液相工質聚集而致系統失穩。本課題針對這一涉及循環熱力平衡和穩定性理論的非線性動態失穩問題，從Lyapunov穩定性理論出發，建立描述動態系統參數擾動、失穩和破壞等穩定性演化規律的穩定模型，提出循環動態穩定性的判別條件，發現影響熱力學循環運動穩定性的控制因素，並對建立的系統中的子系統的結構功能及相互作用原理進行探討，獲得影響系統穩定性的控制參量，探究控制變數變化規律，用調整系統控制變數的方法來防治系統失穩。課題還通過對系統構建性能仿真數學模型和開展實驗研究，模擬、預測和驗證穩定性控制律和鎮定下的系統熱力強化效果，研究有助於對引射循環新現象、新規律的進一步認知，同時將穩定性理論嘗試套用於複雜熱力學循環這一交叉領域具有重要的基礎科學研究意義，對拓展引射循環製冷系統的工程套用也具有重要的理論指導價值。

結題摘要

在跨臨界CO2引射製冷循環中，由於引射器內部跨音速、非平衡兩相流動，和耦合激波等複雜熱力學現象，使其動態失穩機理相比一般熱力學過程更加複雜。本課題通過開展穩定性理論、動態仿真和實驗研究，獲得引射系統失穩的內在演化機理，揭示系統動態控制規律和鎮定下的熱力強化方法。 本項目首先提出將失穩歸為系統初始結構間以及結構和工況間不匹配導致的系統本徵不穩定和控制不穩定兩個範疇，並提出了熱力系統本徵穩定性設計的方法論：通過構建描述動態演化規律的熱力學模型，將高度非線性和滯後複雜性的模型線性化，分析係數矩陣特徵值的分布來判定動態穩定性，進而探討循環失穩規律和子系統結構功能相互作用的內在機理，指導系統結構和穩定工況的設計。將穩定性理論套用於複雜熱力學系統設計是本項目研究的創新之處。 本項目控制研究不僅在於算法研究，還在於引射系統的鎮定機制、失穩恢復和指導系統熱力強化功能上。所發展的基於狀態空間的線性動態模型獲得了小擾動下與仿真模型相近的動態回響。並在此基礎上設計了多通道單輸入單輸出控制器及多目標控制器，仿真結果表明兩種控制器都能夠實現系統的快速穩定。後續將深入研究寬工況下非線性控制算法及控制作用下的系統熱力強化。 項目開展了系統動態模擬研究工作。基於真實流體物性、壅塞流動、激波等引射器工作狀態建立了真實一維引射器模型。鑒於引射器各部分效率隨工況改變而變化，建立了引射器噴嘴、吸收室和混合段的動態效率關聯式。另外，項目還開展了引射器的CFD模擬研究，以期通過分析所獲得的流場信息，為一維引射器模型的改進提供指導和驗證。目前已獲得了內外擾動下的系統動態回響規律，對比了不同控制參數對系統動態穩定性的影響。後續工作中，有望通過動態特性分析開展系統熱力強化措施的模擬和驗證工作。 針對跨臨界CO2引射循環開展了實驗研究，搭建了引射系統實驗台，設計加工了固定結構和兩種可調結構的引射器，得到了初步的試驗數據。後續將從熱力強化和系統穩定性研究角度進一步開展實驗工作。