·646· 北京科技大学学报 2004年第6期 相空间思想去定性或定量刻划混沌吸引子，进而 吸引子，而具有明显的吸引区和相对稀疏的发散 研究系统的动力学行为.定性的研究方法有相图 区.通过改变湍动流化床、快速流化床和稀相 及Poincare截面：定量的研究方法有非线性特征 输送流化床的操作状态，测得密度脉动时间序 量Lyapunov指数、Kolmogorov熵和分维数等.混 列.结果表明，Kolmogorov熵随流型的变化能正 沌分析需要根据算法思想开发计算机程序在微 确地反映相应流型的特点，可用来描述不同流型 机上实现 下的流动结构 典型气固流态化系统实验结果表明：当气 许多从传热、压力波动、空隙率和化学反应 速小于最小流化速度时，床层处于固定床，吸引 等方面的研究结果认为，气固流化床在很宽的操 子图上呈现为一个点，Kolmogorov熵为零，系统 作条件内表现出显著的混沌行为，有研究者试图 表现为定态行为.气速升高，床层到达鼓泡状态， 利用确定性混沌时间序列分析深讨床内的流体 呈现近似周期的波动，具有比较规则的吸引子 动力学行为，虽然取得了很大的进展，但其动 图，对应的Kolmogorov熵较小，系统的混沌程度 力学特征量如奇异吸引子、相关维、Lyapunov指 较低.气速再增加，系统进入湍动流化状态和循 数和Kolmogorov熵等标度不变量本质上仍然是 环流化状态，床层波动的无规则性剧烈增加，吸 系统宏观的整体统计性质，很难揭示隐藏在复杂 引子图不再有明显的规则，Kolmogorov熵急剧升 流动现象下的流动结构的本质.另一方面，气 高，系统的混沌程度相当明显.分析流化床中脉 固反应器流动的非线性混沌特性研究发展较快， 动信号的组成和规律是混沌分析的主要手段，基 但是其研究多处于混沌区域，缺乏对混沌产生机 本研究方法有以下两种 理的研究，同时也缺乏对非线性特征量在空间上 (1)分析流化床内脉动信号组成， 的分布以及这些非线性特征量与流动及传递特 当应用功率谱分析、R/S分析、混沌分析等对 征量之间定量关系或模化研究.因此，目前对多 气固流化床压力波动信号的性质、组成进行定量 相反应器流动的混沌特性研究仍属于探索阶段， 解剖时，发现压力波动信号由两部分构成：其一 尚有大量研究工作待继续探索和深入，) 是本质随机性信号，如噪音：其二是本质确定性 信号，本质确定性信号又有两种表现形式：周期 3基于耗散结构理论的流化床系 信号和随机信号.这种表面随机而本质确定性的 统研究 信号就是混沌信号.另外，用信息理论中信源 熵或信息流率的概念来判断气固流化床中颗粒 理论认为颗粒相和流体相的湍流结构及其 碰撞压力信号中存在的混沌现象，分析实测的压 相互作用是循环流化床气固两相非均匀结构产 力波动信号，同样也证实了该信号为有噪声污染 生的主要因素.这种非均匀的时空动态结构使其 的混沌信号u. 内部复杂的气固两相系统表现为典型的耗散结 利用激光粒子动态分析仪(PDA)测量循环流 构.因此，气固流态化系统是一个典型的具有 化床中颗粒脉动速度信号，采用F℉T分析脉动信 多尺度行为的耗散结构体系四.齐茂展脚基于耗 号的宽频谱特征，在此基础上应用小波法分析脉 散结构理论，在流化床的理论研究上做了突破性 动信号的动态特征，可以得到颗粒脉动速度的微 的工作，并对流态化两相运动规律进行了深入的 观结构，发现颗粒脉动速度的非线性特征是流化 研究和实验验证， 床具有混沌特性的根源.以气液两相鼓泡塔内 (1)流化床中的熵与有序结构， 的压力波动时间序列为分析对象，发现混沌特性 用耗散结构理论方法研究流态化两相运动 随空间位置的变化不显著四， 规律，突破了流态化理论研究的传统框架，首次 (2)测定空隙率或颗粒密度，重构时间序列. 把流态化系统作为一个热力学系统，建立了研究 采用光纤颗粒测速仪在流化床中测定不同 流态化系统两相运动规律的新概念和新的方法 颗粒在不同位置处空隙率的时间序列，重构出空 体系.流化床系统作为一个与环境有能质交换和 隙率时间序列的吸引子，结果表明，空隙率信号 能量耗散的开放系统，是一个具有非线性动力学 的功率谱和二维吸引子既不类似于周期信号功 机制的多相流系统，.流化床系统的不均匀性 率谱和吸引子，也不类似于随机信号的功率谱和 具有典型的耗散结构特征，其运动机理已从耗散北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 相 空 间思 想 去定 性或 定 量 刻 划 混 沌 吸 引子 ， 进 而 研 究 系统 的动 力学行 为 定性 的研 究 方法 有 相 图 及 畔 截 面 定 量 的研 究 方 法 有 非 线 性特 征 量 指 数 、 嫡 和 分 维 数 等 混 沌 分 析 需要 根 据 算 法 思 想 开 发 计 算 机 程 序 在 微 机 上 实 现‘ 典 型 气 固流 态 化 系 统 实 验 结 果 表 明 『 当气 速 小 于 最 小流 化 速 度 时 ， 床 层 处 于 固 定床 ， 吸 引 子 图上 呈 现 为一 个 点 ， 嫡 为 零 ， 系 统 表 现 为定态 行 为 气速 升 高 ， 床 层 到达鼓泡 状 态 ， 呈 现 近 似 周 期 的 波 动 ， 具 有 比 较 规 则 的吸 引子 图 ， 对 应 的 嫡 较 小 ， 系 统 的混 沌 程 度 较 低 气速 再 增 加 ， 系统 进 入 湍 动 流 化 状态 和 循 环 流 化 状 态 ， 床 层 波 动 的无 规 则 性 剧 烈 增 加 ， 吸 引子 图不 再 有 明显 的规 则 ， 嫡 急剧 升 高 ， 系 统 的混 沌 程 度 相 当 明显 分 析 流 化 床 中脉 动信 号 的组 成 和 规 律 是混 沌 分 析 的主 要 手 段 ， 基 本 研 究 方 法 有 以下 两 种 分 析 流 化 床 内脉 动信 号 组 成 ， 当应 用 功 率 谱 分 析 、 侧 分 析 、 混 沌 分 析 等对 气 固流 化床 压 力波 动 信 号 的性 质 、 组成 进 行 定量 解 剖 时 ， 发现 压 力波 动 信 号 由两 部 分 构 成 其 一 是 本质 随机 性 信 号 ， 如 噪音 其 二 是 本 质 确 定 性 信 号 本 质确 定性信 号 又有 两 种 表 现 形 式 周 期 信 号和 随机 信 号 这 种 表 面 随机 而 本 质 确 定性 的 信 号 就 是 混 沌 信 号 ‘ 另 外 ， 用 信 息 理 论 中信 源 嫡 或 信 息 流 率 的概 念 来 判 断 气 固流 化 床 中颗 粒 碰撞 压 力信 号 中存 在 的混 沌现 象 ， 分 析 实测 的压 力 波 动信 号 ， 同样 也证 实 了该信 号 为有 噪 声污 染 的混 沌 信 号 仪，， 利用激 光粒 子 动 态 分 析仪 〕 测 量 循环 流 化 床 中颗 粒 脉 动 速 度 信 号 ， 采 用 分 析 脉 动 信 号 的宽频 谱特 征 ， 在 此 基础 上 应 用 小波 法 分 析 脉 动 信 号 的动 态 特 征 ， 可 以得 到颗 粒 脉 动速 度 的微 观 结构 ， 发现颗 粒 脉动速 度 的非线性特 征 是流化 床 具 有混 沌特 性 的根 源 以气 液 两 相 鼓 泡 塔 内 的压 力波动 时 间序 列 为分 析对 象 ， 发现 混沌特 性 随 空 间位 置 的变 化 不 显 著‘ 测 定 空 隙 率 或 颗 粒 密 度 ， 重 构 时 间序 列 采 用 光 纤 颗 粒 测 速 仪 在 流 化 床 中测 定 不 同 颗 粒 在 不 同位 置 处 空 隙率 的时 间序 列 ， 重 构 出空 隙率 时 间序 列 的吸 引 子 结果 表 明 ， 空 隙率 信 号 的 功 率谱 和 二 维 吸 引子 既 不 类 似 于 周 期 信 号 功 率谱 和 吸 引子 ， 也 不 类 似 于 随机 信 号 的功率 谱和 吸 引子 ， 而具 有 明显 的吸 引区和 相 对 稀疏 的发 散 区 通 过 改变 湍 动 流 化 床 、 快 速 流 化 床 和 稀 相 输 送 流 化 床 的操 作状 态 ， 测 得 密度 脉 动 时 间序 列 结 果 表 明 ， 墒 随流 型 的变 化 能 正 确 地 反 映相 应 流 型 的特 点 ， 可用 来 描述 不 同流 型 下 的流 动 结 构口 许 多从 传 热 、 压 力波 动 、 空 隙率 和 化 学反 应 等 方 面 的研 究结 果认 为 ， 气 固流 化床 在 很 宽 的操 作条 件 内表 现 出显 著 的混沌 行 为 有研 究者 试 图 利 用 确 定 性 混 沌 时 间序 列 分 析 探 讨 床 内的流 体 动 力学 行 为 口问 ， 虽然 取 得 了很 大 的进展 ， 但 其动 力学特 征 量 如 奇 异 吸 引子 、 相 关 维 、 指 数 和 加 嫡 等 标 度 不 变 量 本质 上 仍 然 是 系 统宏 观 的整 体统 计 性 质 ， 很难 揭 示 隐藏在 复杂 流 动 现 象 下 的流 动 结 构 的本 质 ‘ 另 一 方 面 ， 气 固反应 器 流 动 的非 线性 混 沌特 性 研 究 发展 较 快 ， 但 是 其研 究 多处 于 混沌 区域 ， 缺 乏 对 混沌 产 生机 理 的研 究 ， 同时也 缺 乏 对 非线性特 征量 在 空 间上 的 分 布 以及 这 些 非 线 性 特 征 量 与 流 动 及 传 递 特 征 量 之 间定 量 关 系 或 模 化 研 究 ， 因 此 ， 目前 对 多 相 反应 器 流 动 的混 沌特 性研 究仍 属 于 探 索 阶段 ， 尚有 大量 研 究 工 作 待 继 续 探 索 和 深 入 〔陈 ， 基 于 耗 散 结构 理论 的流 化 床 系 统 研 究 理 论 认 为 颗 粒 相 和 流 体 相 的湍 流 结 构 及 其 相 互 作 用 是 循 环 流 化 床 气 固两 相 非 均 匀 结构 产 生 的主 要 因素 这 种 非均 匀 的时空动 态 结构使其 内部 复 杂 的气 固两 相 系 统 表 现 为 典型 的耗 散 结 构 。 ， 因此 ， 气 固流 态 化 系 统 是 一 个 典 型 的具 有 多 尺度 行 为 的耗 散 结构体系 『 齐 茂 展 ‘ 基 于 耗 散结 构 理论 ， 在 流 化床 的理论研 究 上 做 了突 破 性 的工 作 ， 并对 流 态 化 两 相运 动 规 律进 行 了深 入 的 研 究 和 实验 验 证 流 化 床 中 的嫡 与 有 序 结 构 用 耗 散 结 构 理 论 方 法 研 究 流 态 化 两 相 运 动 规 律 ， 突 破 了流 态 化 理 论研 究 的传 统框 架 ， 首 次 把 流 态 化 系 统作 为一 个 热 力学 系统 ， 建 立 了研 究 流 态 化 系 统 两 相 运 动 规 律 的新 概 念 和 新 的方 法 体 系 流 化床 系 统作 为一 个 与环 境 有 能质 交换 和 能量耗 散 的 开放 系 统 ， 是 一个 具 有 非线 性 动 力 学 机 制 的 多相 流 系 统 「，‘ ， 流 化 床 系 统 的不 均匀 性 具有 典型 的耗 散结构特 征 ， 其运 动机 理 己 从耗 散