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螺旋波与靶波是非线性反应扩散体系中一种常见的斑图,而且这种斑图的动力行为存在跨系统的普适性规律。之前人们研究的螺旋波与靶波都是由中心点向边界传播的,直到2001年,Vanag等人首次在BZ-AOT系统中发现了一种由边界向中心传播的波,称之为反波。自此,化学波的传播方向问题激起了人们广泛的兴趣。理论研究指出,对于处于霍普夫分岔附近的化学波,可以用相应的复金兹伯格-朗道方程来描述。并且理论进一步指出,当化学波的群速度与相速度反向的时候,可以观察到反波。本文的工作就是在上述的理论基础上,利用简单的化学反应扩散体系:ClO2-I2-MA(CIMA)反应,研究正反波的动力学行为。
首先,利用多重尺度分析,推导出描述CIMA反应的无量纲的Lengyel-Epstein模型在发生霍普夫分岔时所对应的复金兹伯格-朗道方程,并且得出系统动力学项的振幅解形式。分析振幅解的群速度与相速度,得出用复金兹伯格-朗道方程来解释的系统出现反波的条件。进行相应的数值模拟,得出复金兹伯格-朗道方程的确可以用来描述化学反应扩散系统临近霍普夫分岔时的动力学行为;但是,当系统远离霍普夫分岔时,这种近似不再适用。
其次,由于在CIMA反应扩散系统中的数值模拟与理论分析中验证了反波的存在,设计了CIMA实验,预期观测到由边界向中心传播的反波。CIMA实验通常被用来进行图灵斑图的研究。在实验中,将原来碘离子的指示剂淀粉用聚乙烯醇来代替,并且随着聚乙烯醇浓度的降低,使反应体系由原来的图灵分岔过渡到霍普夫分岔。
最后,在发生了霍普夫分岔的CIMA反应振荡体系中,观测到了由边界向中心传播的反靶波。调节控制参量使反应体系逐渐远离霍普夫分岔,系统中的化学波可以分为三个区域:反靶波区、反靶波-正螺旋波转变区、正螺旋波区。并且通过理论分析与数值模拟,指出上述区域的产生是由于斑图竞争的结果。