跨临界CO2引射制冷循环动态热力平衡的运动稳定性理论

跨临界二氧化碳引射制冷循环中，引射器引射系数和出口干度相互干涉，易使气液分离器中气相或液相工质聚集而致系统失稳。本课题针对这一涉及循环热力平衡和稳定性理论的非线性动态失稳问题，从Lyapunov稳定性理论出发，建立描述动态系统参数扰动、失稳和破坏等稳定性演化规律的稳定模型，提出循环动态稳定性的判别条件，发现影响热力学循环运动稳定性的控制因素，并对建立的系统中的子系统的结构功能及相互作用原理进行探讨，获得影响系统稳定性的控制参量，探究控制变量变化规律，用调整系统控制变量的方法来防治系统失稳。课题还通过对系统构建性能仿真数学模型和开展实验研究，模拟、预测和验证稳定性控制律和镇定下的系统热力强化效果，研究有助于对引射循环新现象、新规律的进一步认知，同时将稳定性理论尝试应用于复杂热力学循环这一交叉领域具有重要的基础科学研究意义，对拓展引射循环制冷系统的工程应用也具有重要的理论指导价值。

在跨临界CO2引射制冷循环中，由于引射器内部跨音速、非平衡两相流动，和耦合激波等复杂热力学现象，使其动态失稳机理相比一般热力学过程更加复杂。本课题通过开展稳定性理论、动态仿真和实验研究，获得引射系统失稳的内在演化机理，揭示系统动态控制规律和镇定下的热力强化方法。.本项目首先提出将失稳归为系统初始结构间以及结构和工况间不匹配导致的系统本征不稳定和控制不稳定两个范畴，并提出了热力系统本征稳定性设计的方法论：通过构建描述动态演化规律的热力学模型，将高度非线性和滞后复杂性的模型线性化，分析系数矩阵特征值的分布来判定动态稳定性，进而探讨循环失稳规律和子系统结构功能相互作用的内在机理，指导系统结构和稳定工况的设计。将稳定性理论应用于复杂热力学系统设计是本项目研究的创新之处。.本项目控制研究不仅在于算法研究，还在于引射系统的镇定机制、失稳恢复和指导系统热力强化功能上。所发展的基于状态空间的线性动态模型获得了小扰动下与仿真模型相近的动态响应。并在此基础上设计了多通道单输入单输出控制器及多目标控制器，仿真结果表明两种控制器都能够实现系统的快速稳定。后续将深入研究宽工况下非线性控制算法及控制作用下的系统热力强化。.项目开展了系统动态模拟研究工作。基于真实流体物性、壅塞流动、激波等引射器工作状态建立了真实一维引射器模型。鉴于引射器各部分效率随工况改变而变化，建立了引射器喷嘴、吸收室和混合段的动态效率关联式。另外，项目还开展了引射器的CFD模拟研究，以期通过分析所获得的流场信息，为一维引射器模型的改进提供指导和验证。目前已获得了内外扰动下的系统动态响应规律，对比了不同控制参数对系统动态稳定性的影响。后续工作中，有望通过动态特性分析开展系统热力强化措施的模拟和验证工作。.针对跨临界CO2引射循环开展了实验研究，搭建了引射系统实验台，设计加工了固定结构和两种可调结构的引射器，得到了初步的试验数据。后续将从热力强化和系统稳定性研究角度进一步开展实验工作。