两有限势库内可逆广义机最大广义输出的最优构型

寻求普适的优化结果是广义热力学优化理论研究的重要目标之一.前人对于热机、化学机、电池做功电路和商业机等循环的动态优化研究均仅限于具体学科的研究对象,研究结论有其独特的学科适用范围,无法揭示这些不同学科内研究对象和研究结论之间的共性规律.本文在回顾现有热力化学循环动态优化研究文献的基础上,基于广义热力学优化理论的研究思路,首先建立了两有限势库内可逆广义机的物理模型,形成了相应的动态优化问题,即在广义位移守恒方程约束下求解广义机循环广义输出最大化及与之对应的循环最优构型.然后,分别应用欧拉-拉格朗日方程和平均最优控制理论导出了普适的优化结果,并基于普适结果得到了广义流率和广义速率间满足3种特定关系时更为简化的优化结果.接着,进一步讨论了上述研究结果和结论在热力循环、等温化学循环、电池做功电路和商业机循环等特例中的应用.最后,提出了不可逆循环"广义热力学动态优化"的研究思想.本文研究丰富和完善了广义热力学优化理论.     

广义流传递过程的广义耗散最小化

广义热力学优化理论研究的重要内容之一是追求优化结果的普适性.本文首先在回顾现有文献关于传热、传质、电容器充电、经济贸易过程等不可逆过程动态优化研究工作的基础上,基于广义热力学优化理论的研究思路,通过定义广义势、广义力、广义流、广义势容、广义耗散、广义耗散力等物理量,建立了一类广义流传递过程的广义热力学物理模型,形成了相应的动态优化问题,即在广义流守恒方程约束下求解广义流传递过程广义耗散最小化.然后,分别应用欧拉-拉格朗日方程和平均最优控制理论导出了普适的优化结果即最优性条件,并基于普适的优化结果得到了一些新结论.接着,进一步讨论了上述研究结果和结论在换热过程、等温节流、单向等温传质、双向等温传质、等温结晶过程、电容器充电过程、经济贸易过程等特例中的应用.最后,提出了不可逆过程"广义热力学动态优化"的研究思想.本文的研究结果丰富和完善了广义热力学优化理论.     

固体氧化物燃料电池-斯特林热机混合动力系统的性能优化

应用电化学、非平衡态热力学和有限时间热力学等理论,建立包含多种不可逆损失的固体氧化物燃料电池与斯特林热机组合而成的混合动力循环系统理论模型,导出混合系统的输出功率和效率的表达式,确定混合系统的最大输出功率和最大效率及其工作在最大输出功率或工作在最大效率时的运行条件,给出系统的优化工作区域,详细讨论了热力学循环过程的不可逆性对混合系统优化性能的影响,探讨了固体氧化物燃料电池与斯特林热机之间的最佳匹配关系.所得结果可为实际混合动力系统的设计和优化运行提供理论依据.     

不可逆过程广义热力学动态优化研究进展

广义热力学优化理论是热科学与技术领域的研究热点之一.本文首先回顾了有限时间热力学、熵产生最小化理论、理论、广义热力学优化理论的产生与发展,深入剖析了上述热学优化理论的物理内涵及其相互间异同点,然后从传热过程、传质过程、电容器充电电路和经济贸易过程等不可逆过程动态优化研究方面介绍了广义热力学优化理论的研究进展,重点比较了熵产生最小化理论和理论在传热传质过程优化中的异同点,最后指出除在研究对象范围和研究内容方面进一步拓展与细化外,追求物理模型的统一性、优化方法的通用性和优化结果的普适性是广义热力学优化理论的另一重要发展趋势.     

基于概率方法的化学反应驱动热机有限时间热力学分析

基于Arrhenius动力学理论的化学反应驱动热机的功率优化,通过综合考虑将化学反应速率系数作为有限时间限制的条件以及化学反应过程与热机热力耦合过程的最优构型问题,分别对一级反应动力学模型和二级反应动力学模型进行了有限时间热力学分析,得出了化学反应与热机热力耦合关系的有限时间热力学特性对功率优化的影响.结合本文的计算结果与前人的工作分析可知,化学反应驱动3种热机模型时均存在一个最佳流率使装置的输出功率达到最大值,但在实际情况下,化学反应驱动一个按广义卡诺循环运行的热机时才能输出最大功率,且此时的最佳流率也能使装置的燃料效率接近最优.基于概率分析的有限时间热力学方法能够更加精确地描述热力系统的各项性能参数,本文通过概率分析的方法建立了一级反应动力学理论的概率模型,得到了化学反应驱动热机的功率和燃料效率的波动界限.所得结果不仅包含了传统分析方法的平均解,还将微尺度情况下的随机起伏考虑进去,能为微型尺寸系统的实际性能的预测提供更加丰富的信息.     

海基合成燃油系统关键单元的热力学分析与优化研究进展

本文在简要回顾化学反应过程有限时间热力学研究的基础上,从海基合成燃油系统的碳、氢源捕获子系统各单元(包括电化学海水酸化单元,酸化海水CO_2捕集单元,氢气(H_2)获取单元)、燃料催化合成子系统各单元(包括"长链烃裂解"合成燃油技术路径中逆水气变换单元反应器、费托合成单元反应器,"短链烃聚合"合成燃油技术路径中CO_2氢化合成低碳烯烃单元反应器、烯烃齐聚单元反应器)性能研究方面介绍了其热力学分析与优化研究进展.研究工作结合热力学、传热学、流体力学、化学反应动力学、最优控制理论和多目标优化方法,建立模型,优化性能,探索海基合成燃油系统关键单元的热设计与优化问题.由浅入深,从建立热源温度完全可控的一维活塞流反应器模型到建立考虑真实热源载热工质的二维拟均相反应器模型;由可逆模型到不可逆模型,从建立经典平衡态热力学模型到建立考虑多种不可逆因素的有限时间热力学模型;由单目标优化到多目标优化,从熵产生率最小和比熵产生率(对目标产物产率平均的熵产生率)最小的单目标优化到综合考虑目标产物产率最大和熵产生率最小、出口平均转化率最高和最大径向温差最小的多目标优化.本文取得了一些具有重要理论意义和实用价值的研究成果,可为海基合成燃油系统的设计与优化提供科学依据和理论指导.下一步的发展方向是实现两个子系统和全系统与关键单元集成的构形热力学优化.     

斯特林循环输出功率优化分析

基于有限时间热力学理论,结合理论和熵产理论,以输出功率最大为目标对斯特林循环进行了分析和优化,探讨了损失、耗散、熵产、熵产数及改进熵产数在系统参数优化方面的适用性.研究表明,当循环的热源为给定温度的无限热容热源时,系统的最大损失率对应于最大输出功率,最小熵产率和耗散率极值不与最大输出功率对应.当系统的热源为有限热容热源时,在给定高低温热源流体入口温度和热容量流的条件下,系统的最大损失率、最小熵产率、最小熵产数和最小改进熵产数均对应于系统最大输出功率,而耗散率极值不对应.随着高温热源流体热容量流增加,系统的输出功率、损失率、熵产率和耗散率均随之增加,而熵产数和改进熵产数先减小后增加.综合而言,在本文讨论的各种工况下,损失的概念用于斯特林循环输出功率优化时,其一致性优于本文讨论的其他参数.     

钢铁生产流程物流-能流-环境作用机理及广义热力学优化

将有限时间热力学、构形理论和(火积)理论等现代热学理论与冶金流程工程学相结合,提出钢铁生产流程广义热力学优化理论.在搭建钢铁流程能耗排放仿真平台和建立分析与生命周期评价结合的物流-能流-环境作用评价方法的基础上,基于钢铁生产流程广义热力学优化理论对单体组件、工序模块、功能子系统和流程进行物流-能流-环境作用机理研究,并开展多学科、多目标的广义热力学优化.优化后流程和工艺的选择、物流和能流的分配、余能余热综合利用更加合理,流程系统得到集成、运行调控更加合理,物流-能流-环境得到综合协调,实现流程能源的高效配置和余能的梯级利用,系统能耗和排放显著降低.本文通过探索钢铁生产流程高效、节能、减排技术途径为钢铁联合企业能源环保中心的设计运行提供了理论支撑,也为一般物质转化过程高效节能的相关共性问题的解决提供了研究平台,奠定了科学和技术基础.     

热机的新发展--热声热机

传统的热机按一定的热力学循环要求,用热机的机械结构和运动规律组织工作介质的状态变化,实现热能与机械能之间的转变。热声热机则是运用热声原理在一定的几何和热力环境条件下,利用系统与工质自身性质及各个部分之间进行的一种热力学自组织过程实现热能与机械能之间的自主转化。实践中可以实现无运动部件的热机系统。     

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.     

传热对热布朗热泵性能的影响

本文建立了热布朗热泵的有限时间热力学模型.假设热源与黏性介质间服从牛顿传热规律,导出了供热率和供热系数的解析式.分析了传热对布朗热泵性能的影响,给出了布朗热泵的有效工作区域,并与宏观内可逆卡诺热泵的性能进行了比较.在总热导率一定的约束下,通过优化热导率分配得到了系统的最大供热率.结果显示新模型的供热率比非平衡热力学模型的供热率更小,且更接近实际.增强热源与黏性介质间的传热可以有效提升系统的性能.供热率关于热导率分配比存在极值,供热系数不受热导率的影响.当总热导率无穷大时,模型变为非平衡热力学模型.缩小热源间的温差可提高供热率,供热系数与热源温度无关.     

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.     

基于理想共振隧穿的三端量子点热机

由两个单能级量子点、一个腔和两个电子库耦合形成三端量子点热机模型.通过Landauer公式导出了热机的输出功率以及效率表达式,数值模拟出该热机功率与效率之间的性能特征图,确定了热机性能的优化范围.之后,在最大功率与最大效率作为优化目标下,分析了热漏和能级宽度对热机性能的影响.最后,讨论了在最大功率下对应的效率随卡诺效率变化的关系并且与CA效率进行了比较.研究表明:由于能级宽度和热漏的存在,该热机为一个不可逆热机,热机的效率和功率的特性为一个闭合曲线;由于存在热漏,热机效率和能级宽度的特性为非单调曲线;不考虑热漏和能级宽度,最大功率下的效率将大于CA效率.     

三类微型能量转换系统有限时间热力学性能优化的研究进展

随着分子生物技术、纳米技术和微电子技术的发展,微型能量转换系统日益受到人们的重视.微型能量系统中能量转换的机理和效率研究是涉及热力学、统计力学、物理学等多学科交叉融合的新课题,而能量系统的性能优化是揭示微型系统能量转换机理、提升能源利用效率的一个关键问题.本文在概述有限时间热力学理论产生和发展的基础上,结合国内外的研究现状,阐明性能优化对微型能量转换系统的意义,综述利用有限时间热力学理论对热驱动布朗马达、能量选择性电子机和热离子装置这三类典型微型能量转换系统进行热力学分析和优化研究的最新进展,并提出进一步的研究展望.     

拓展非平衡系统自组织理论的研究进展

本文就物理世界中的两类组织结构描述了非平衡系统中自组织现象研究在热力学与动力学方面的研究概貌，阐述了从自组织理论到复杂系统理论、从宏观系统到量子系统、从物理系统到非物理系统的自组织理论研究进展。并针对拓展非平衡系统自组织理论两个极富挑战性的研究领域－－－化学反应－扩散－传热系统及种群生长的生态系统，在建立完整的纯粹耗散系统自组织理论与种群生长含时自组织理论的探索中提出了系列具有重要研究价值与学术意义的问题与方向。     

不可逆热容热电转换装置性能的优化分析

基于超级电容的古伊-查普曼-斯特恩(CGS)双电层模型,本文建立一类不可逆热容热电转换装置循环的新模型.应用热力学理论和系统的能量平衡方程,导出该热容循环的回热量、输出功率和能量效率的表达式.通过数值计算,揭示热容循环的一般性能特性,分析循环的电量比、充电截止电压、回热过程的时间、双层距离、电解液浓度等重要性能参数对热容热电转换系统优化性能的影响.对于一些给定的参数,确定系统运行于最大功率下循环的电量比、双层距离、充放电过程的温度的优化值,给出循环的一些重要性能参数的优化范围.结果表明,为了获得循环的最优性能,采用CGS模型除了对充放电过程的温度和循环的电量比进行优化外,还可对电容的多孔电极的孔径进行优化,当充电截止电压为2 V时,优化的最大功率密度约为4.9 kW/m~2,相应的效率可达18.5%.本文所获得的结果可为实际热容热电转换装置优化设计和运行提供理论依据.     

大气污染优化控制理论的一些新进展

本文介绍了国内学者的最新研究成果，包括了大气污染优化控制理论在以下几个具体应用领域的进展：(1)工业污染源的优化布局。应用伴随方法计算目标函数的梯度以求解优化问题，给出了理论框架。进行了数值试验。(2)短期空气质量的动态控制。应用实际气象数据和污染源数据进行了优化控制数值模拟。(3)化学风险的预先评价与控制。应用伴随方法，对运动化学源进行风险评价。规划最佳运输路线；针对禁止化学武器公约中处理日本二战期间遗弃化学武器的有关问题。妥善选择化武销毁工厂的地址。以上优化控制问题，以气象预报模式和大气污染预报模式为基础，而以伴随方法和最优化算法为求解途径，数值试验表明理论的正确性和方法的高效率。新发展的理论和方法与数值模式和观测技术紧密结合，并且顺应了计算机速度和容量高速增长的趋势。从而具有广阔的应用前景。     

一种新型非正弦函数--混合进制广义桥函数的复制生成算法及其主要性质

提出了一种新的非正弦函数系——混合进制广义桥函数系。这种函数系包括了许多已有的非正弦正交函数系，如Walsh函数系、Chrestenson函数系、桥函数（二进制）和广义桥函数系（p进制）等。混合进制广义桥函数系是已有桥函数理论的进一步推广和完善。首先介绍了混合进制广义Walsh函数的定义，接着介绍了混合进制的广义复制方法，在此基础之上，与移位操作结合，提出了混合进制广义桥函数系，并对这种函数系的基本性质做了初步讨论。     

两级密封式斯特林可逆热机

介绍一种两级密封式斯特林可逆热机。该机按斯特林循环正向运行，将热能转变成电能；按斯特林循环逆向运行，将电能转变成热能，突破了现代斯特林发动机、斯特林制冷机都不能逆向运行的技术难关。通过两级密封技术、工质自动均衡技术、螺旋逆流换热技术的综合应用，彻底清除了斯特林热机发展的两大障碍：一是结构复杂．二是密封困难，提供一种结构简单、密封可靠、使用方便、运行平稳、节能环保、造价低廉的斯特林可逆热机，可广泛应用于发动机、制冷机、热泵等三大技术领域。尤其是在低温制冷和高温制热这两方面，较现有技术更具优势．     

溶质非平衡晶界偏聚的研究进展（Ⅰ）：热循环引起的非平衡偏聚和晶间脆性断裂

评述了溶质非平衡晶界偏聚理论的近20年来的发展，包括非平衡偏聚的临界时间概念和公式，热力学关系式和恒温动力学方程．作为这个理论体系的重要应用，讨论了钢的回火脆性和金属与合金的中温脆性的非平衡偏聚机理．