On the efficiency of active control of thermal convection in a thermosyphon with time-delayed controller
DOI:
https://doi.org/10.17072/1994-3598-2017-2-59-68Abstract
The paper deals with the problem of automatic control of the motion of an inhomogeneously heated liquid in long vertical channels connected at the ends. Such a rectangular loop (a non-simply connected thermosyphon) makes it easy to maintain the mechanical equilibrium of a liquid with a vertical temperature gradient. The fluid flow is controlled by small discrete channel orientation changes with respect to the static component of the inertial field, for example, gravity. Such changes are made by the computer according to the law of proportional negative feedback. The effect of a time delay, which naturally arises in the controller's commands, is considered. To study the effect in detail, an artificial time delay has been also added. A mathematical model of the phenomenon is developed. Dynamic modes of the work of a controlled convective loop are numerically studied. It was found that the excessive feedback gain can cause non-stationary convection modes in the system. Methods for weakening the delay effect are discussed.References
Gershuni G. Z, Zhukhovitskii E. M. Convective stability of incompressible fluids. Jerusalem. Keterpress, 1976. 330 p.
Gershuni G. Z., Lyubimov D. V. Thermal vibrational convection. New York: Wiley, 1998. 358 p.
Mialdun A., Ryzhkov I. I., Melnikov D. E., Shevtsova V. Experimental evidence of thermal vibrational convection in a nonuniformly heated fluid in a reduced gravity environment. Physical Review Letters, 2008, vol. 101, 084501.
Putin G. F., Zavarykin M. P., Zyuzgin A. V. Parametric resonance convection in a modulated gravity field. ASME proceedings, Heat Transfer, Part B, 2005, pp. 579–588.
Babushkin I. A., Demin V. A. Vibrational convection in the Hele-Shaw cell. Theory and experiment. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2006, vol. 47, no. 2, pp. 183–189.
Bratsun D. A., Teplov V. S. Parametric excitation of a secondary flow in a vertical layer of a fluid in the presence of small solid particles. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2001, vol. 42, no. 1, pp. 42–48.
Bratsun D. A., Teplov V. S. On the stability of the pulsed convective flow with small heavy particles. European Physical Journal Applied Physics, 2000, vol. 10, pp. 219–230.
Bratsun D. A., Stepkina O. S., Kostarev K. G., Mizev A. I., Mosheva E. A. Development of concentration-dependent diffusion instability in reactive miscible fluids under influence of constant or variable inertia. Microgravity Science and Technology, 2016, vol. 28, no. 3, pp. 575–585.
Lyubimov D. V., Lyubimova T. P., Cherepanov A. A. Dinamika poverkhnostei razdela v vibratsionnykh poliakh (Dynamics of interfaces in vibrational fields). Moscow: Fizmatlit, 2003. 216 p. (In Russian).
Singer J., Bau H. Active control of convection. Physics of Fluids A, 1991, vol. 3, pp. 2859–2865.
Wang Y., Singer J., Bau H. Controlling chaos in a thermal convection loop. Journal of Fluid Mechanics, 1992, vol. 237, pp. 479–498.
Ott E., Grebogi C., Yorke J. A. Controlling chaos. Physical Review Letters, 1990, vol. 64, pp. 1196–1199.
Erhard P., Muller U. Dynamical behavior of natural convection in a single-phase loop. Journal of Fluid Mechanics, 1990, vol. 217, pp. 487–518.
Drozdov S. M. Experimental investigation of fluid convection in a closed toroidal channel. Fluid Dynamics, 1995, vol. 30, no. 4, pp. 503–509.
Getling A. V. Convective motion concentration at the boundaries of a horizontal fluid layer with inhomogeneous unstable temperature gradient along the height. Fluid Dynamics, 1975, vol. 10, no. 5, pp. 745–750.
Bratsun D. A., Zyuzgin A. V. Polovnikov K. V., Putin G. F. Active control of fluid equilibrium in a thermosyphon. Technical Physics Letters, 2008, vol. 34, no. 8, pp. 650–652.
Bratsun D. A., Zyuzgin A. V. Effect of subcritical excitation of oscillations in stochastic systems with time-delay. Part II. Control of fluid equilibrium. Computer Research and Modeling, 2012, vol. 4, no. 2, pp. 375–396 (In Russian).
Bratsun D. A., Krasnyakov I. V. Mathematical model of active control of convection in thermosyphon with time delay. Vestnik PSPU. Series 2: Fiziko-matematicheskie i estestvennye nauki (Bulletin of PSPU. Series 2: Physical, mathematical and natural science), 2014. no. 2, pp. 28–53.
Bratsun D. A., Zyuzgin A. V., Putin G. F. On the selection of parameter of the convective system intellectual control. Bulletin of Perm University. Physics, 2012, no. 2 (20), pp. 31–36.
Bratsun D. A., Krasnyakov I. V., Zyuzgin A. V. Delay-induced oscillations in a thermal convection feedback control with noise. Communications in Nonlinear Science. Numerical Simulation, 2017, vol. 47, pp. 109–126.
Bratsun D. A. Effect of excitation of subcritical oscillations in stochastic systems with delay. Part I. Regulation of gene expression. Computer Research and Modeling, 2011, vol. 3, no. 4, pp. 421–438.
Remillieux M., Zhao H., Bau H. Suppression of Rayleigh-Benard convection with proportional-derivative controller. Physics of Fluids, 2007, vol. 19, pp. 017102–017111.
Pyragas K. Continuous control of chaos by self-controlling feedback. Physics Letters A, 1992, vol. 170, no. 6, pp. 421–428.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Автор предоставляет Издателю журнала (Пермский государственный национальный исследовательский университет) право на использование его статьи в составе журнала, а также на включение текста аннотации, полного текста статьи и информации об авторах в систему «Российский индекс научного цитирования» (РИНЦ).
Автор даёт своё согласие на обработку персональных данных.
Право использования журнала в целом в соответствии с п. 7 ст. 1260 ГК РФ принадлежит Издателю журнала и действует бессрочно на территории Российской Федерации и за её пределами.
Авторское вознаграждение за предоставление автором Издателю указанных выше прав не выплачивается.
Автор включённой в журнал статьи сохраняет исключительное право на неё независимо от права Издателя на использование журнала в целом.
Направление автором статьи в журнал означает его согласие на использование статьи Издателем на указанных выше условиях, на включение статьи в систему РИНЦ, и свидетельствует, что он осведомлён об условиях её использования. В качестве такого согласия рассматривается также направляемая в редакцию справка об авторе, в том числе по электронной почте.
Редакция размещает полный текст статьи на сайте Пермского государственного национального исследовательского университета: http://www.psu.ru и в системе OJS на сайте http://press.psu.ru
Плата за публикацию рукописей не взимается. Гонорар за публикации не выплачивается. Авторский экземпляр высылается автору по указанному им адресу.
