最小热阻原理在组合式相变材料蓄热过程优化中的应用

最小热阻原理为近年来火积理论中所提出的传热过程优化的新方法.本文基于最小热阻原理对组合式相变材料蓄热过程进行了优化.通过变分原理,获得了组合式相变材料最佳融化温度的通用表达式.在此基础上,进一步研究了相变材料数对火积耗散热阻和蓄热性能的影响,探讨了最小热阻原理用于组合式相变材料蓄热过程优化的可行性.定义了组合效率,考察了传热单元数和热容流率对火积耗散热阻的影响.结果表明,组合效率随相变材料数的增加逐渐提高,火积耗散热阻随传热单元数和热容流率的增加逐渐降低其提高与降低的幅度均逐渐减弱,该研究为组合式相变材料的遴选以及流动和结构参数的设计提供了理论指导.此外,基于最小热阻原理的优化分析,提出了相变蓄热过程的温差场均匀性原则,为组合式相变材料的优化提供了一种新的优化标准.

(火积)——描述物体传递热量能力的物理量

从导热过程与导电过程的比拟出发,引入了与电容器的能量相对应的新的物理量E_h= Q_(vh)T/2．它具有“能量”的性质,它描述了一物体所具有的热量传递的总能力．由于它是热容量与温度乘积之半,因此把此物理量称之为(火积)．热量传递是一个不可逆过程,在传递过程中部分(火积)将被耗散,其数值可由(火积)耗散函数的体积分求得．在建立了(火积)平衡方程的基础上定义了(火积)传递的效率,从而可讨论传热过程的优化．在变分分析的基础上,提出了导热过程优化的(火积)耗散极值原理：对于具有一定的约束条件并给定热流边界条件时,当(火积)耗散最小,则导热过程最优(温差最小)；在给定温度边界条件时,(火积)耗散最大,则导热过程最优(热流最大)．基于(火积)的耗散这个物理量定义了多维导热问题中的当量热阻,从而可把导热优化的(火积)耗散极值原理归结为导热优化的最小热阻原理．最后,以体点散热问题为例,计算了使导热性能最好的导热系数的最佳分布,并对优化前后的导热性能作了比较．