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.     

基于煅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,以煨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“体一点”导热问题进行构形优化,得到无量纲当量热阻最小的“体一点”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,熄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．基于煅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、纳米尺度下研究熄耗散率最小的“体-点”导热构形问题进一步拓展了熄耗散极值原理的应用范围。     

基于高导热材料非均匀分布的体点导热构形优化

基于变截面高导热通道矩形单元体,同时释放上一级构造体最优和高导热材料均匀分布两个约束条件,对矩形区域体点导热问题进行构形优化.优化结果表明,单元体内高导热材料面积沿导热通道的最优分布并非均匀的.导出了高导热材料的最优分布规律,有效降低了构造体最大热阻.进一步的分析还表明,增加单元体个数并不总能降低最大热阻,而矩形区域的长宽比接近2时,矩形区域内的最大热阻最小.     

基于煅耗散率最小的叶形肋片构形优化

基于构形理论,以熄耗散率最小（总热流一定时,即当量热阻最小）为优化目标,对叶形肋片进行构形优化,得到无量纲当量热阻最小时的叶形肋片最优构形．结果表明：存在最佳单元级肋片数使得一级叶形肋片整体导热性能取得最优．毕渥数对最佳单元级肋片数、最佳单元级和一级叶形肋片长宽比几乎没有影响;随着叶脉和叶片热导率之比的增大,最佳单元级肋片数和单元级叶形肋片最佳长宽比增大,一级叶形肋片最优外形更粗短;煅耗散率最小和最大温差最小的叶形肋片最优构形是明显不同的,熄耗散率最小的无量纲当量热阻比最大温差最小对应的无量纲当量热阻降低了11．54％,能有效地改善叶形肋片整体导热性能．在相同单元级和一级叶形肋片体积条件下,一级叶形肋片最小无量纲当量热阻比单元级叶形肋片最小无量纲当量热阻降低了30．10％,一级叶形肋片整体导热性能明显优于单元级叶形肋片整体传热性能,其本质上在于煅耗散率最小的一级叶形肋片的温度梯度场比单元级叶形肋片的温度梯度场更均匀．基于煨耗散率定义的当量热阻反映了叶形肋片的平均散热性能,能从传热优化角度为肋片热优化设计提供参考．     

基于棋盘型高拓扑热沉结构不同喷嘴射流分布结构的数值研究

电子或电力电子芯片的高密度热流换热问题是制约芯片技术的核心问题之一.本文针对棋盘型喷嘴射流/歧管/微针翅复合结构拓扑形态设计和几何构造参数影响关系进行数值模拟研究.建立喷嘴阵列在正方形、正六边形和菱形三种拓扑结构下换热单元的计算模型,分析各拓扑结构不同参数尺度的流动换热性能.计算结果表明,当射流孔和微针翅的直径分别为50和100μm时,正六边形喷嘴阵列拓扑下复合换热结构压降较小,但换热效果也受到局限;菱形喷嘴阵列拓扑虽然具有最高的局部对流换热系数(150000 W/(Km~2)),但微针翅表面的换热系数较低,温度分布的不均匀程度较大;正方形喷嘴阵列拓扑下热沉的性能具有显著优势,压降仅3150 Pa时,总热阻低至0.099×10~(-4)Km~2/W.该复合热沉结构具有高拓扑性,易于与不同形状大小的芯片相结合,在进一步降低结构尺度和接触热阻后,将在高热流密度芯片冷却领域展示出更好的应用潜力.     

以[火积]耗散最小为目标的空腔几何构形优化

[火积]耗散极值原理给出了新的传热优化的理论依据和评判标准．针对导热固体中包含开口空腔的2种情形（内部产热和外受热），引入了基于熘耗散定义的无量纲当量热阻，并以之最小化为目标，对模型进行了构形优化．数值结果验证了本文方法的必要性和可行性．与以无量纲最大热阻最小化为目标的优化结果对比发现，不论哪种模型，当空腔占固体的体积百分比Ф值较小时，2种优化部结果无明显差别，但随着新口固体长宽比H／L值的增大，2种优化结果区别越大．固体外受热时的最优空腔，始终比内部产热时的最优空腔更细长．系统的传热性能受热量来源的影响较大，外部加热时的[火积]耗散比内部产热时的[火积]耗散增加了2～3倍，系统传热性能降低．本文方法对相关热设计问题具有一定指导意义．     

新型矩阵式微射流热沉性能分析

设计一种带有回流结构的矩阵式微射流热沉,采用实验和数值模拟方法对热沉性能进行了研究.在稳态条件下,获得了不同运行和结构参数时被冷却表面的温度分布、流体的速度场以及系统压损.结果表明:冲击距离对热沉性能影响较大,其值越小,平均努赛尔数越大,被冷却表面的平均温度越低,换热均匀性越好;被冷却表面平均温度与气体体积流量成反比;系统压损随着射流雷诺数的增大不断增大,雷诺数大于5500以后,压损急剧增加;换热均匀性与气体体积流量成反比,气体体积流量越大,换热均匀性越好.     

注入电流式热声成像的声源重建

为了实现对生物组织的内部深层信息的探测,本文提出了一种新型的无损医学成像方法,即注入电流式热声成像.注入电流式热声成像是一种以超声信号为传递媒介来反映生物组织电导率信息的医学成像方法.首先,本研究对注入电流式热声成像方法的原理进行了研究,将目标体内通入微秒级脉宽的高斯脉冲电流,目标体吸收焦耳热瞬时膨胀,向外发出超声信号,利用时间反演法对探测的超声信号进行处理,来重建目标体的声源分布,进而反映生物组织内部电导率信息;其次,以低电导率的椭圆模型和复杂模型为目标体,建立了仿真研究,借助有限元方法对注入电流式热声成像正、逆问题进行仿真,并重建模型的热声图像;最后,本文搭建了注入电流式热声成像实验装置,对凝胶仿体产生的声信号进行检测和采集,并重建目标体的声源分布.仿真和实验结果表明,重建的声源分布能展现目标体电导率的分布信息.本研究为注入电流式热声成像应用于生物组织的研究提供了较好的理论和实验基础.     

考虑夹具-托盘组合优化的多资源约束柔性作业车间智能调度

针对多产品混合加工车间中有限夹具-托盘资源引发的生产力制约问题,提出了考虑夹具-托盘组合优化的多资源约束柔性作业车间智能调度方法.首先,以最小化最大完工时间为目标建立了基于设备-夹具-托盘三资源约束的混合整数规划模型.其次,设计了基于可行性修复和自学习型变邻域搜索的改良遗传算法并进行求解,提出了种群染色体初始化、交叉、变异过程中的可行性修复策略,在算法迭代中后期引入三种变邻域搜索方法并构建搜索策略知识库,自学习地求得最优解.最后,基于工业大数据生成算例,并通过数值实验证明了该算法具备求解精度和求解时间上的双重优越性,可有效解决设备-夹具-托盘约束下的柔性作业车间调度问题,为加工车间的生产排产智能化转型提供有力支持.     

线性唯象传热条件下甲烷蒸汽重整反应器熵产生最小化

针对一类传热、流动与化学反应相耦合的管式活塞流甲烷蒸汽重整反应器,考虑转化管外热源与管内反应物间传热服从线性唯象传热定律[q∝Δ(T~(1))],在氢气产率、进口压力、进口总摩尔流率、惰性气体(N_2)摩尔流率均给定及外界热源温度完全可控的条件下,以传热、流动、化学反应过程的总熵产生率最小为目标,应用有限时间热力学理论和方法,借助非线性规划数值方法求解了过程最小熵产生率及相应外界热源温度沿程最优分布规律,并与热源温度恒定、热源温度线性变化两种传热策略下的参考反应器以及牛顿传热定律[q∝Δ(T)]下熵产生最小最优反应器进行了比较.结果表明,与两类参考反应器相比,优化热源温度分布规律后可使反应器总熵产生率降低58%以上,主要是通过降低传热过程熵产生率实现的;采用较短的反应器可较好地实现预定生产目标;对于熵产生最小时的过程最优路径,存在恒定的热驱动力或恒定的化学驱动力中间段区域;传热规律对过程熵产生最小时热源与反应混合物温度最优构型有显著影响.     

碘化氢分解反应过程熵产率最小化

热化学硫碘循环是一种有潜力的制氢方式,而碘化氢分解反应是制氢过程的关键步骤,碘化氢的分解转化率决定了制氢效率的高低.为进一步从热力学第二定律的角度对碘化氢分解过程进行分析优化,本文建立了碘化氢分解一维活塞流管式反应器模型,并基于有限时间热力学理论,以系统中熵产率最小为优化目标进行研究.考虑传热、流动和化学反应过程的总熵产率,在给定的混合气体进口温度和混合气体进口压力及氢气产率约束条件下进行优化分析,分别考虑管长度固定和自由的两种情况,利用最优控制理论求解管外的热源温度最优分布.结果表明优化后的反应器中管外热源温度和混合气体温度差值存在相对恒定的子区间,并且管外热源的温度变化范围相对热源线性变化的参考反应器更广.与参考反应器相比,管长固定时(L=3 m)最优反应器的总熵产率降低了51.3%,管长自由变化时总熵产率存在二次最优,此时最优反应器长度L_(opt)=4.91 m,总熵产率相比参考反应器降低了57.6%.总熵产率的降低主要是由降低传热过程不可逆性实现的,适当延长管长可进一步降低反应过程中总熵产率.同时结合工业生产实际对如何实现热源温度最优分布进行了探讨.本文的研究结果对碘化氢分解反应器的尺寸参数和工艺条件设计可提供理论指导.     

高速车辆动载下双块式无砟轨道离缝积水动水压力时空变化特性

本文结合车辆-轨道耦合动力学方法与流固耦合方法,建立了双块式无砟轨道离缝积水动水压力计算模型,分析了离缝形态及积水状态对动水压力的影响规律、车辆荷载作用下离缝积水动水压力的时空分布特点以及考虑动水压力时空变化的参数影响规律.结果表明:高速车辆通过计算截面时,动水压力将达到最大正、负压值,离缝动水压力沿轨道横向的分布较为复杂,不同深度处离缝积水动水压力变化并不一致,采用单点动水压力变化难以表征整个离缝区域积水动水压力特性,可采用分区域加载的方法;将动水压力向离缝尖端点简化,得到的主矢和主矩可描述空间分布的动水压力整体的力学作用,同时主矢和主矩随时间的变化也反映了动水压力作用的时变特点;当离缝渐深、离缝高度渐小以及列车运行速度渐增时,动水压力主矢和主矩逐渐增大;离缝深度超过0.9 m时,动水压力对道床板向上的作用将超过钢轨支点压力对道床板向下的作用,将加速无砟轨道层间损伤.     

基于热吸收分布的热声成像方法研究

注入电流式热声成像是一种电磁场与声场耦合新型成像技术,融合了传统电阻抗成像高对比度和超声成像高分辨率的优势,具有早期诊断的潜力.为了验证该方法在复杂生物组织结构中应用的可行性,本文分析了注入电流式热声成像方法基本理论,将脉冲激励电流注入目标体,在目标体中产生焦耳热,引起热膨胀激发超声波;将热吸收作为热声源,以低电导率的椭圆和长方形目标体为几何模型,进行电磁场和声场耦合分析,得到声源及声压分布;同时,搭建了成像系统实验平台,分别采用不同厚度猪骨质和模拟生物软组织的1 S/m低电导率仿体、新鲜猪肝离体组织嵌入0.5 S/m仿体,将脉宽0.8μs的脉冲激励电流源注入仿体,开展热声实验研究.采用1 MHz中心频率的超声换能器进行声压信号的检测,得到目标体的声压信号及猪肝仿体的B扫图像.研究结果表明:较薄较软的骨头遮挡实验所检测到的声压信号并无明显衰减,尽管硬骨对声信号起到了一定的衰减作用,但依然可以得到较清晰的声压信号,且声压波形均可反映凝胶仿体电导率变化的位置;猪肝仿体实验结果验证了该方法可反映低电导率生物组织电导率变化.该研究证实了该方法用于复杂生物组织成像的可行性,为推动多物理场耦合成像技术应用于人体疾病诊断提供了依据.     

三维双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合三维模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的三维有限元程序.通过与已有算例的对比,验证了该模型和程序的可靠性.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体和缓冲层均为非饱和介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、地下水流速、核素浓度和正应力的状态.结果显示,缓冲层中的温度、负孔隙水压力及核素浓度呈现非线性的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/9,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的6倍;应力分布集中的区域位于缓冲层和处置孔壁交界两侧附近.     

无溶剂微波辅助-液相微萃取测定土壤中的滴滴涕

建立了一种快速、有效、环境友好的样品前处理方法,即无溶剂微波辅助-液相微萃取技术,并结合高效液相色谱法对土壤中的滴滴涕残留进行了测定分析,同时对影响萃取效率的相关因素,如萃取溶剂的种类、微波辐射功率、萃取时间和pH等因素进行了优化。最终确定最佳优化条件为：萃取溶剂为正庚烷,微波辐射功率为120w,萃取时间为1rain,pH为5。在最优条件下,滴滴涕的检出限（S／N=3）为0．18μg／kg,定量限（S／N=10）为0．59μg／kg,实际土壤加标回收率87．34％～96．41％之间,相对标准偏差RSDs在5．75％～6．72％之间。理论分析和实验结果表明,该方法具有操作简便,节省溶剂,快速,高效,选择性好等特点。