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.

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。

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。

(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。

并联通道中超临界RP-3航空煤油流量分配特性数值研究

针对热流偏差下空-油换热器的应用,进行了三种类型并联通道中超临界压力RP-3航空煤油流量分配数值研究,探究了进口压力、进口温度、进口总流量、进出口布置对双通道流量分配的影响机制。通过摩擦压降和加速压降的演变机制揭示了流量非对称分配的原因,讨论了通道质量流速和温度的分布特征及其对换热的影响,进行了(火积)耗散效应分析。根据热流密度比值和运行参数提出了流量偏差的预测准则,预测偏差处于±15%范围内。结果表明:随着双通道热流差别增大,两者流量偏差增大,源于加速压降和摩擦压降的平衡机制。热流比值小于1时,摩擦压降主导流量分配;热流比值大于1时,加速压降主导流量分配。热流比值等于1时,双通道流量等量分配。提高进口压力、进口温度、进口总流量双通道流量偏差均受到抑制。高热流偏差下通道出现流量不连续和偏差管温度反向分层问题。相对流量偏差和(火积)耗散偏差的变化规律一致,I型布置相比U型和Z型布置更好。

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.

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.

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.

基于(火积)耗散率和流阻最小的冷却流道构形优化

基于构形理论,以(火积)耗散率和流阻最小为优化目标,对由定截面和变截面流道内冷却流体冷却的产热体进行构形优化,分别得到矩形单元体的无量纲平均热阻最小和一级构造体、二级构造体与三级构造体的无量纲总流阻最小时的最优构形.结果表明,基于(火积)耗散率最小的矩形单元体的最优构形与基于最大温差最小的最优构形的平均传热温差和极限温差都几乎相等.构造体级数较高时,与后者的构造体的最优构形相比,前者的构造体的最优构形可以较大程度的降低最小无量纲总流阻.因此,将(火积)耗散极值原理与对流传热相结合进行构形优化具有极大的优越性.

T形肋(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T形肋片,分别以基于(火积)耗散的当量热阻最小化和最大热阻最小化为目标,采用二维传热模型和有限元数值计算方法进行了构形优化,分析了全局参数a(综合了对流换热系数、肋片占据的总面积及其热导率)和肋片占比ф对当量热阻最小值和最大热阻最小值及其对应最优结构的影响,比较了两个目标下优化结果的异同.研究表明,两种优化目标下的最佳构形差异较大.以当量热阻最小为目标的优化比以最大热阻最小为目标的优化,能够显著降低肋片体内的传热平均温差.增大a和增大ф均可同时改善局部热点工作状况和整体平均传热性能.但是,增大a和增大ф对当量热阻最小和最大热阻最小两个目标的改善程度不一样;并且对任意一个目标,a和ф分别产生的影响也是不一样的.总体上,对应当量热阻最小值的T形肋比对应最大热阻最小值的T形肋要高得多;两种优化目标下,主干比分支的部分均要厚,但当量热阻最小化时两部分肋厚相对接近些;主干扁平、分支细长的T形肋有利于降低最大热阻.

基于(火积)耗散数最小的板翅式换热器优化设计

本文以传热和阻力引起的总(火积)耗散数最小为目标,在给定热负荷的情况下对工作流体为理想气体的板翅式换热器进行优化。结果表明,优化后传热(火积)耗散数和阻力(火积)耗散数都得到了大幅减小,而后者减小的幅度更大。随着总(火积)耗散数的减小,换热器有效度有所增加,而消耗的风机功率大幅减小,从而提高了换热器整体性能。

强迫对流换热冷却的产热体(火积)耗散率最小构形优化

应用(火积)耗散极值原理和构形理论,对强迫对流换热冷却的产热体进行构形优化设计,得到了基于(火积)耗散率最小的最优管间距和最优管道直径.结果表明,基于(火积)耗散率最小与最大温差最小的最优构形明显不同.对于前者,换热通道的体(火积)在整个产热体中最优占比为1/2;而对于后者,该占比越大越好.与后者的最优构形相比,前者的最优构形极大地降低了产热体的当量热阻,明显改善了产热体的整体传热性能.基于(火积)耗散极值原理时,传递相同热量(给定发热体的发热量)所需的传热温差是最小的,符合(火积)耗散极值原理的本质要求.

基于(火积)耗散极值原理的轧钢加热炉壁绝热构形优化

与导热过程类比,对绝热过程(火积)耗散极值原理表述为:对于具有一定的约束条件并给定热流(热损失)边界条件时,当耗散最大时,则绝热过程最优(平均温差最大);在给定温度边界条件时,(火积)耗散最小,则绝热过程最优(平均热损失率最小).并基于构形理论,以(火积)耗散率最小为优化目标,在给定绝热温度边界条件下,对轧钢加热炉炉壁单层平板和圆柱体绝热层、多层平板绝热层分别进行构形优化,得到三种绝热结构的变厚度绝热层最优构形.结果表明:与等厚度绝热层和热损失率最小的绝热层最优构形相比,(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与两者的构形是明显不同的;(火积)耗散率最小的绝热层最优构形能有效降低其平均热损失率,有利于提高其整体绝热性能.将(火积)耗散率极值原理应用到绝热系统的构形优化,有利于拓展(火积)耗散率极值原理的应用范围.

基于（火积）耗散率最小的伞形柱状肋片构形优化

采用解析解法,以无量纲平均热阻作性能指标,对柱状一级组合的伞形肋片进行构形优化,得到了伞形肋片的最优构形.结果表明:单元级柱状肋数量越大,肋片的导热性能越差;在某些设计参数下,优化后的伞形肋片退化为柱状肋;优化后的伞形肋片的直径受设计参数的影响很小.基于耗散率定义的平均热阻反映了整个伞形肋片在传热过程中的导热性能.工程上对肋片进行热优化设计时,在极限安全温度下应尽量选择对应耗散率(平均热阻)最小的构形设计.

换热量和换热面积给定时的火积耗散最小原则

在换热量和换热面积给定的条件下,当换热系数不固定时,首先,对火积耗散均匀分布原则(EoED)、温差均匀分布原则(EoTD)和热流密度均匀分布原则(EoHF)的优化结果进行对比,结果表明,EoTD与EoED所得结果的误差很小,且远小于EoHF与EoED所得结果的误差.根据3种原则比较的结果,选择适当的优化原则,在给定热负荷和换热面积的两流体换热器中,分别对冷热流体侧的参数进行优化,结果表明,选择恰当流体侧的参数进行优化对于最小火积耗散优化原则的成功应用十分重要,在优化过程中应当选择以能提高总体换热系数的流体,或按照优化原则优化后能使温度分布平行并同时减小温差驱动力的流体为准则.

基于(火积)耗散率最小的三维圆柱形单元体和微、纳米尺度下矩形、三角形单元体体-点导热构形优化

基于构形理论,以(火积)耗散率最小为优化目标,对环形高导热通道的三维圆柱形单元体和微、纳米尺度下矩形、三角形单元体"体-点"导热问题进行构形优化,得到无量纲当量热阻最小的"体-点"导热问题最优构形.结果表明:无量纲当量热阻最小和无量纲最大热阻最小目标下三维圆柱形构造体最优构形是不同的,这与对应的二维矩形构造体两种目标下最优构形比较结论不同.在微、纳米尺度下,存在尺寸效应影响时与无尺寸效应影响时的基于矩形和三角形单元体的构造体最优构形有明显区别;由于第二级构造体高导热材料通道中的热流不再服从线性分布,(火积)耗散率最小的和最大温差最小的第二级构造体最优构形是不同的.基于(火积)耗散率定义的当量热阻反映了构造体的平均散热性能,在三维条件和微、纳米尺度下研究(火积)耗散率最小的"体-点"导热构形问题进一步拓展了(火积)耗散极值原理的应用范围.