传热传质的非线性特性研究与应用

Chaos is a state between the certainty and randomness in nature. Investigations on the nonlinear dynamical systems and the chaos can give answers to some confusing phenomena. Numerous of challenging problems can be solved via investigations of the nonlinear dynamic systems and the chaos, which give us better understandings of nature behaviors. The backgrounds of this project are the nonlinear behaviors in real industry applications, such as high efficiency heat exchanger, boiler, and burner. We propose to study the nonlinear systems in these fluid flow coupled with heat and mass transfer processes analytically, experimentally and numerically. Mechanism of self-sustain oscillation to Chao will be discussed via oscillation, bifurcation, fractal and Chaos results, to obtain a better understanding for these fluid flow coupled with heat and mass transfer processes. This project can provide potential solutions to unsteady temperature field in boiler, asymmetry flow in the burner and heat transfer enhancement mechanism in heat exchanger with spoiler components. Furthermore, results in this project will enrich the theory of the heat transfer, and provide the theoretical direction for the relevant engineering applications.

混沌是自然界中存在的一种介于确定性和随机性之间的状态。包含传热传质的动力学系统的非线性特性和混沌的研究，能够解释一些令人困惑的现象，对于深刻认识并改造自然具有重要价值。本课题从锅炉、燃烧器、高效换热器等实际工程中抽象出耦合了导热、对流、辐射的传热传质研究模型，研究包含流动和传热传质的非线性动力系统中的非线性现象和分析预测这种动力系统中非线性特性的理论和数值方法，通过理论分析、数值模拟、实验模拟，查明其中出现分岔、振荡和混沌等非线性现象的条件、影响因素、分岔点等，深刻了解和揭示模型中发生自维持振荡并发展为混沌的物理机理及流动和传热传质规律。课题还将研究结果应用于实际工程，给出原因尚不十分明确的锅炉炉膛烟气侧不明原因热偏差、燃烧器中的流动偏斜、换热器扰流形成机理和传热强化等的物理机理，为相关工程优化设计和运行提供理论指导。本课题研究将丰富传热学理论，使一些令人困惑的现象变得明晰了。

混沌是自然界中存在的一种介于确定性和随机性之间的状态。包含传热传质的动力学系统的非线性特性和混沌的研究，能够解释一些令人困惑的现象，对于深刻认识并改造自然以及指导工程应用具有重要价值。本课题从锅炉、燃烧器、换热器强化传热，相变储能等实际工程中抽象出耦合了导热、对流、辐射、相变以及固体运动的传热传质研究模型和流固耦合模型，研究了包含流动和传热传质及流固耦合运动的非线性动力系统中的非线性现象和分析预测这种动力系统中非线性特性的理论和数值方法，通过理论分析、数值模拟、实验模拟，查明了其中出现的分岔、振荡和混沌等非线性现象的条件、影响因素、分岔点等，深刻了解和揭示了模型中发生自维持振荡并发展为混沌的物理机理及流动和传热传质规律。课题还将研究结果应用于实际工程，给出原因尚不十分明确的锅炉炉膛烟气侧不明原因热偏差、燃烧器中的流动偏斜、换热器扰流形成机理和传热强化等的物理机理，为相关工程优化设计和运行提供了理论指导。本课题还研究了从相变储能中抽象出来的固液相变传热模型中的非线性问题，首次揭示了这种相变传热中存在的非线性现象和规律，指出相变过程可能遵循不同的路径。本课题研究将丰富了传热学理论，使一些令人困惑的现象变得明晰了。本课题发表论文114篇，英文论文50篇；获得发明专利4项，实用新型专利2项；已有5名研究生获博士学位和28名研究生获硕士学位，研究成果在工程实际中得到了应用，获得了显著的经济效益和节能减排效益。本课题首次从非线性特性的角度分析锅炉炉膛出口热偏差，并首次提出了大型锅炉顺序启动、精准控制技术，对流动和传热规律和非线性特性的研究，有助于深刻地认识和了解自然，并为解决工程问题和强化传热指明方向和奠定了理论基础，具有重要的创新意义。