基于场协同和(火积)耗散的微通道拓扑优化研究

基于双目标拓扑优化方法,对五种不同设计域长宽比的微通道结构进行了优化设计,获得各工况下的优化设计变量场、温度场及压力场。在此基础上,研究了不同Reynolds数对散热通道的影响,并结合场协同原理和(火积)耗散理论对不同结构的微通道进行理论分析和比较,为优化微通道结构提供理论依据。结果表明:在层流范围内,随着Reynolds数增加,拓扑流道变得更加复杂,域内平均温度逐渐降低,Nu增大,进出口压降逐渐升高,PEC逐渐减小,场协同数增大,压降协同角逐渐增大,(火积)耗散增大,各散热通道的流动传热特性趋于优化。在不同拓扑结构微通道的探究中,设计域长宽比为25/64微通道的速度场与温度场协同效果及速度场与压力场协同效果最好,传热效果最好,流动特性最优。

矩形肋片热沉(火积)耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较研究

针对矩形肋片热沉,分别以最大热阻最小化和基于(火积)耗散定义的当量热阻最小化为优化目标,采用二维传热模型并结合有限元数值仿真对其进行构形优化,比较了两种目标下的热沉最优构形,并分析了全局参数(综合了对流换热系数、肋片占据的总面积及其热导率的函数)和材料占比对两种目标(最大热阻、当量热阻)及其对应最优构形的影响.结果表明:热沉外形固定时,两种目标下均不存在最优的肋片厚度;热沉外形自由变化时,两种目标下的最优构形存在一定的差异.此外,全局参数对两种目标下的最优构形均没有影响,而材料占比对两种目标下的最优构形均有较大影响.提高全局参数和材料占比均可以减小最大热阻最小值和当量热阻最小值,但对两种目标的减小程度不同.总体上,调节热沉结构参数使当量热阻最小,可以同时获得很好的局部极限性能;而调节热沉结构参数使最大热阻最小,获得的整体平均散热性能却较差.因此,对本文热沉模型进行优化时,以当量热阻最小化为优化目标更合理.

基于(火积)耗散热阻的新型蜂窝板式换热器性能分析

板式换热器在工业生产中广泛应用。基于换热器(火积)(火积)耗散热阻理论,采用数值模拟和实验相结合的方法对新型蜂窝板式换热器进行研究。结果表明数值模拟和实验结果在合理的误差范围内,验证了数值模拟的可靠性。新型板式换热器内部蜂窝结构附近的速度场出现规律的周期性变化,流体湍流强度增加,提高了换热效率。新型板式换热器换热量与其(火积)耗散和(火积)耗散热阻呈反比例关系,这为新型蜂窝板式换热器的优化提供了理论依据,并为工业生产提供参考。

(火积)理论及其在化工过程节能中的应用进展

(火积)和(火积)耗散极值原理的提出,为化工过程系统节能开辟了新的方向。阐述了(火积)的物理意义、(火积)是过程量等(火积)理论的最新研究成果,从(火积)在换热器设计、热力学过程中的不可逆性、换热网络综合等方面的应用情况综述了(火积)理论在化工过程系统节能中的最新应用进展。重点围绕(火积)耗散率与熵产率的异同点比较分析、(火积)耗散极值原理与换热网络综合结合等方面,阐述了(火积)理论的科学性。

基于(火积)耗散热阻的换热器网络优化

基于(火积)耗散热阻的概念,分析了换热器网络中的传热过程,并结合变频泵的性能分析和管网的阻力分析,建立了换热器网络中结构参数、运行参数和用户需求之间的直接联系,完善了换热器网络优化的数学模型。在此基础上,构建了基于(火积)耗散热阻换热器网络优化的方法。最后以一个典型的有变频水系统的换热器网络为例,阐释了基于(火积)耗散热阻的换热器网络优化方法。研究结果表明,在给定换热器网络中各换热器热导的情况下,通过优化计算可以获得使换热器网络中总泵能耗最小的运行参数。在变工况运行的情况下,随着换热器网络换热量的增大,各变频泵的运行参数出现不同程度的增大,增大的速度与工质的性质和管网的阻力特性等因素有关。

多辐射器航天器热控流体回路布局的(火积)耗散分析

为了优化多辐射器航天器热控流体回路布局,提高流体回路的散热效率,降低流体回路温度,本文基于(火积)理论,分别对多个辐射器串联和并联的流体回路布局的散热进行了分析。结果表明,排散相同热量时,流体回路的流体与管路壁面之间的温差均匀性越好,流体回路散热过程(火积)耗散越小,系统散热过程越优。进一步,对于2个辐射器的情况,分别对辐射器设置了不同的空间辐射加热热流,对辐射器的流体回路布局方式进行了比较。结果表明,辐射器与流体回路串联时,系统散热性能要优于两者并联,系统的流体温度水平最低,结果与(火积)理论分析的预测完全一致。研究结论对多辐射器的航天器热控流体回路设计具有指导意义。

孤立系内热传导过程(火积)耗散的解析解

(火积)耗散与熵增均可以作为传热不可逆性的度量,当前(火积)理论的反对者认为(火积)是不必要的.为说明(火积)的必要性,从有效性的角度进行了论证,即在描述传热过程不可逆性的变化上,(火积)的严格解析解存在,而熵的严格解析解难以得到.本文构建了孤立系内的一维及多维热传导模型,求解了温度及其梯度的级数型解析解,将其代入(火积)耗散的求解式,得到其最初的形式为一多重级数的多重积分,交换积分与级数计算顺序,并利用特征函数的正交性,将(火积)耗散求解式中的积分运算求出,并使级数的维数降低,最终将其表示为一稳态项与一瞬态项加和的形式,其极限与文献中的结果一致.通过对孤立系内(火积)耗散解析解的求解可以得出:由于热传导过程熵与(火积)的解析解求解难度不同,在描述传热过程不可逆性变化上,(火积)更加有效;对于孤立系内不同维数的热传导问题,只要温度场解析解存在,(火积)耗散解析解均可以应用特征函数正交性求解得到.

基于(火积)耗散法的立式集热板太阳能热气流发电系统传热性能分析

基于(火积)耗散及((火积))耗散热阻极值定律推导出立式集热板太阳能热气流发电系统的(火积)耗散率表达式,并对系统的传热性能进行分析。结果表明:立式集热板太阳能热气流发电系统的烟囱尺寸是影响系统传热性能的主要因素,但是烟囱的高度和宽度受高层建筑的高度及窗户间距的限制,因此烟囱厚度成为系统(火积)耗散热阻的主要影响因素;在烟囱高度和宽度不变的条件下,厚度取0.959 8m时系统(火积)耗散热阻最小,系统性能最优。

基于熵分析法和(火积)分析法的换热网络适应性比较

熵和(火积)是传热过程不可逆性的度量,可以通过分析不可逆损失来评价换热网络中能量的利用情况。针对换热网络存在不可逆性的问题,首先建立了基于熵分析法和(火积)分析法的换热网络能量利用效率的数学模型,然后以最大能量回收为目标,分别对某炼化企业的单段单程加氢裂化(SSOT)装置进行换热网络分析,比较了两种方法对该装置换热网络优化的适应性,并验证了熵分析法是否适用于分析复杂换热网络。结果表明,分别取最小传热温差?T_(min)=15K、20K、25K,熵分析法计算的热力学第二定律效率依次增大,分别为86.80%、88.59%、90.42%,违背了熵产最小原则。而分析法计算的传递效率依次降低,分别为76.45%、74.86%、73.41%,该趋势与"温差越大,(火积)传递热量的能力越低规律"相一致。最后由该结果说明了(火积)分析法比熵分析法更加适用于分析换热网络的能量利用效率,有利于评价换热网络的节能潜力。

高压加热器过热段(火积)耗散研究

高压加热器为火电机组回热系统的主要换热设备,其换热过程的优劣直接影响火电机组回热系统的热经济性。基于热力学第二定律,为动态分析高压加热器内换热过程优劣,利用(火积)耗散理论,从传热效率的方向建立了高压加热器过热段(火积)平衡方程,推导出了高压加热器过热段(火积)耗散的计算方法。以某高压加热器的过热段为例,得到了高压加热器过热段的(火积)耗散分布规律,计算结果表明:对冷热流体进出口参数固定、对流换热系数为常数的高压加热器,总(火积)耗散为管长的单调函数;(火积)耗散量的增长速度取决于温度梯度的大小,即(火积)耗散理论与温差均匀性理论的一致;高压加热器内流动阻力引起的(火积)耗散对总(火积)耗散影响较小。

汽轮机回热加热器的(火积)耗散和(火积)效率

基于(火积)和(火积)耗散理论的传热优化被证明是一种行之有效的新方法,本文应用该理论相关知识,建立了汽轮机回热加热器(火积)耗散量和传(火积)效率的计算方法,根据传热过程的(火积)耗散量和热交换量,可得到加热器的平均换热温差。当加热器的进、出口参数(压力、温度、流量)已知时,可通过积分的方法对其进行求解计算。以某600MW汽轮机回热系统为例,验证了该方法的有效性。本文提出的计算方法对汽轮机回热系统的性能分析和能耗诊断具有借鉴意义。

水热型地热系统在建筑供暖中的设计及影响因素分析

通过介绍中深层水热型地热系统在建筑供暖中的设计和应用,总结了地热系统、换热系统、水源热泵系统中影响地热资源利用、系统效能及可持续性的主要因素,并结合实际项目案例对先后两期工程的设计和应用进行数据对比,分析其中问题并提出解决措施,从地热能利用率、系统综合制热系数、单位地热水量供热能力3个指标对水热型地热系统进行综合评价,并提出应考虑满负荷运行和部分负荷运行时按不同原则进行设计。

换热器[火积]散最小优化

对一类高低温两侧流体之间传热服从牛顿定律[q∝Δ(T)]的两股流换热器进行了研究,在传热量一定的条件下,以(火积)耗散最小为优化目标,利用最优控制理论求出了换热器参数的最优分布,得出了对应于换热过程耗散最小时的热流密度为常数的结论.分析比较了逆流、顺流、凝结流三种形式的换热器,结果表明采用逆流式换热器可实现换热过程耗散最小.给出了数值算例,并与以熵产生最小为目标的优化结果进行了比较.

基于(火积)理论的热系统分析和优化的能量流法

熵产、炳损最小等准则函数法及传统能量流法是热系统性能优化的常用方法,但这些方法难以整体揭示热系统中的部件特性和拓扑特征,增加了系统整体分析和优化的难度。本文基于(火积)理论,利用流体进口温差(或算数平均温差)为特征温差重新定义了换热器的热阻,揭示了热量输运中驱动力和阻抗的本构关系,提出了换热器稳态性能分析的能量流法。在此基础上,针对双回路热管理系统,根据其拓扑特征及换热器的热阻构建了系统的能量流模型;基于基尔霍夫定律,揭示了系统中包含传递和输运两种阻力的热量整体输运规律。最后,应用拉格朗日乘子法优化该系统,获得了系统中换热器的最小总热导及热容量流的最佳分配,说明了本文基于(火积)理论提出的新能量流法在热系统分析和优化中的先进性。

用于高密度显热机房排热的分离式热管换热器性能优化分析

分析了应用于信息机房空调系统的热管换热器的流程。热管换热器的总驱动温差为室内外温差,单级热管换热器内部制冷剂的恒温特性导致室内换热器和室外换热器两侧热容不匹配、等效热阻较大,可通过增加热管级数来降低换热器的热容不匹配程度,从而降低等效热阻,提高换热效率。

基于(火积)耗散率最小的离散和连续变截面导热通道构形优化

应用基于离散变截面导热通道的(火积)耗散率最小构形方法,对变截面导热通道单元体进行了构形优化,并与基于定截面导热通道单元体所得优化结果相比较,结果显示:基于变截面导热通道单元体所得平均温差最小值随构形级数的增加而增加并趋近于定值,而基于定截面导热通道单元体所得平均温差最小值随构形级数的增加而减小并趋近于定值.两者的差异是由于第一级构形体的无量纲平均温差不同造成的.提出了普适的提高结构体传热能力的自相似构形优化方法及准则:将无量纲平均温差为α,长宽比(H/L)为β的矩形单元4个组合,热流节点间导热通道截面面积比为2:1,连续组合两次,得到(H/L)为β的下级构形体.若α<(4+4β+β2)/9β,平均温差随着构形级数的增加而增加并逐步趋于定值;若α=(4+4β+β2)/9β,各级构形体平均温差相同;若α>(4+4β+β2)/9β,平均温差随着构形级数的增加而减小并逐步趋于定值.应用基于(火积)耗散率最小的自相似构形优化方法,多级构造后构形体的平均温差趋近于定值.

换热器优化设计的最小(火积)耗散方法

以水-水换热的平衡逆流换热器为例,把(火积)耗散理论应用于换热器的优化设计.在一定的假设条件下,得到了换热器的最佳长径比的解析表达式;在给定换热面积或换热管体积的约束条件下,获得了最佳质量速度和最小(火积)耗散率的解析表达式.这些结果表明,为了减少换热器中的不可逆耗散,在允许的条件下应尽量增大换热面积,降低流速.

湿空气热湿转换过程的热学原理

讨论了湿空气处理过程中的传热、传质和相变过程,针对实际工程中的一些困惑,提出了基于(火积)的新的热学分析方法。用这一方法,可以得到空气处理过程中各种(火积)损失的构成,清晰地看到空气等焓喷水加湿过程与沿饱和线加热加湿或冷却除湿过程的巨大差异,找到各种工程条件下最好的湿空气处理途径。介绍了基于(火积)的湿空气热湿转换过程分析方法,对一些典型工程问题进行了深入分析。

(火积)传递方程及其应用

(火积)是描述传热能力的物理量,在热量传递过程中伴随的(火积)传递,热量在传递过程中守恒,(火积)并不守恒,因而(火积)必定有其独特的传递规律.基于(火积)定义及其传递的思想,导出了描述多组分黏性流动体系(包含热传递、对流、质量传递和化学反应过程)的(火积)传递方程,它描述了该体系传热过程中(火积)的传递规律.给出了(火积)流及其(火积)耗散的表达式,并分析了其物理机制.进而讨论了(火积)传递方程在稳态对流传热过程中优化传热的理论和方法,从不同侧面应用稳态过程(火积)传递方程得到了(火积)耗散极值原理和最小热阻原理,给出了对单组分体系稳态对流传热和稳态导热过程应用的例证.

液-固相变过程(火积)耗散最小化

对一类简单一维平板液-固相变过程进行了研究,在过程总时间一定的条件下,以过程的(火积)耗散最小为优化目标,应用最优控制理论导出了外界热源温度随时间变化的最优规律,得出了对应于相变过程耗散最小最优换热策略下的(火积)耗散为恒温换热策略下的(火积)耗散的8/9,且与系统其它参数无关的结论.给出了数值算例,并与传统的恒温换热策略和熵产生最小最优换热策略进行了比较.本文研究结果对实际液-固相变过程最优换热策略的选取具有一定的理论指导作用.