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（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.     

以最大热阻最小化为目标的二级组合Y形肋构形优化

本文采用有限元数值方法,以无量纲最大热阻作性能指标,研究了6自由度（几何特征参数）二级组合Y形肋的构形优化,分析了不同自由度条件下二级组合Y形肋的传热性能.结果表明,二级组合能显著提高Y形肋的传热性能,其最小最大热阻比一级组合Y形肋的最小最大热阻降低了36.37%.这也再次证明了,事物进化的自由度越大,其性能越优.二级组合Y形肋各几何特征参数对其性能的影响是不一样的,在实际工程设计中应该给予不同的关注.其中2个角度对最大热阻的影响比较大,但角度的最优值都比较稳定;2个长度比对最大热阻的影响比2个厚度的影响大得多.     

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．     

基于矩形单元体的以耗散最小为目标的体点导热构形优化

以基于火积定义的反映平均传热效果的当量热阻最小为优化目标,对均匀内热源单点冷却的体点构形问题进行再分析和优化,得到结构体内平均散热效果最好的结构外形.对于单元体与第一级构造体,当高传导材料中热流密度符合线性分布时,基于火积耗散最小的优化构形与基于最大温差最小的优化构形一致,平均传热温差为最大传热温差的2/3;对于第二级及以上的构造体,由于高传导材料中热流密度不可能符合线性分布,基于火积耗散最小的优化构形与基于最大温差最小的优化构形是不同的.在给定相同参数条件下,分析比较了基于火积耗散最小的构形和基于最大温差最小的构形,发现基于火积耗散最小的构形相对基于最大温差最小的构形可以更好降低平均传热温差,但是随构造体级数增加,平均传热温差并不总是减少,而是具有波动变化.由于火积更能反映对传热能力的要求,因此可基于此对各种导热构形问题进行再优化.     

基于多物理场耦合计算的正六边形微通道热沉构形研究

提出了新的微通道正六边形热沉分别在无回流、边缘回流和中心回流3种回流方式下4种通道结构的设计原型,基于热-流-力-应变的多物理场耦合计算,研究了回流方式、微通道分支数和微通道分布演化对正六边形热沉的最大热阻和基于耗散的当量热阻的影响,并进行了热应力和形变分析.数值计算结果表明:以最大热阻最小化和当量热阻最小化为目标, 3种回流方式中的中心回流式为最佳回流方式,中心回流式六分支微通道正六边形热沉按上层微通道沿六边形内切圆半径分布、下层微通道沿六边形外接圆半径分布为最优构形,可使传热性能最优,且最大热应力为0.28 GPa,比硅的屈服强度小1个数量级以上,最大形变为1.4μm.所得结果可为实际微通道热沉提供多学科设计的理论支撑.     

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。     

基于广义传热定律的传热与热功转换优化

基于广义传热定律,本文分别从熵产和（火积）损失的角度对简单的传热过程与热功转换过程进行了优化,对熵产和（火积）损失的概念在上述过程优化中的适用性进行了讨论分析.研究表明,对于传热过程,（火积）损失率就是（火积）耗散率,该概念可有效优化传热过程.然而,在给定传热温差时,最大传热量不与最小熵产率对应,因此熵产最小化方法不一定适用于传热优化.对于热功转换过程,最大（火积）损失率和最小熵产率同时与系统最大输出功率对应.因此熵产最小化方法和（火积）理论均可用于优化本文讨论的热功转换过程.     

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.     

换热器优化中均分原则的适用性分析

在许多物理过程的优化设计中,其优化结果反映为某些物理量或者函数的均匀分布,即相应的均分原则.针对两股流和三股流换热器的优化分析,讨论了热力学力场均匀性原则、ΔT/T场均匀性原则和温差场均匀性原则三项均分原则的适用性.研究表明,当换热量给定时,前两项原则既不能给出最小的换热器熵产率,又不能给出最高的换热器效能;而当换热器实现最佳传热性能时,前两项原则得不到满足.对于温差场均匀性原则,不论冷热流体间的传热系数是否为常数,均可基于理论对其进行数学证明.当冷热流体温差场完全均匀时,换热器的耗散热阻达到最小值.可见,温差场均匀性原则可以给出换热器的最佳传热性能.进一步,本文给出了简单的案例,直观地验证了上述结论.理论与案例分析的结果进一步表明,热力学力场均匀性原则和ΔT/T场均匀性原则都是基于熵产的概念得到的,而熵产从做功能力损失的角度衡量不可逆性,导致这两项原则与传热优化的目的不一致,而且其推导过程中所采用的传热定律也不符合实际的传热过程;而用于证明温差场均匀性原则的(火积)耗散则从传热能力损失的角度衡量传热过程的不可逆性,其优化目标与传热优化目标则是一致的.这就是前两项原则不适用于换热器优化分析而温差场均匀性原则适用的根本原因.     

(火积)耗散、耗散热阻与单股流混联热网络优化

本文基于理论对混联热网络进行了分析和讨论,并与熵产优化结果进行了对比.理论分析表明,混联热网络热量加权平均温度最小值对应于热网络最小(火积)耗散和最小热.以三个热件构成简单混联热网络为例,出了其(火积)耗散表达式,并对其传热面积与流体流量进行了优化计算,了使热网络(火积)耗散和热取最小值优化结果.本文还计算分析了三个热件之间多种合方式优化结果,如串联、并联以及其他形式混联等.数值计算结果与理论分析吻合.本文理论推与数值计算表明最小(火积)耗散和最小热对应最低热网络平均温度,而最小熵产不对应.     

以[火积]耗散最小为目标的电磁体多学科构形优化

利用[火积]耗散概念,推导出线圈（电磁体）在加入高导热材料情况下平均传热温差表达式,为应用煨耗散极值原理优化奠定了理论基础．在此基础上,针对电磁体稳态工作（磁场强度为定值,电磁体内各点均匀产热,发热量为定值）的情况,分别在无体积约束、给定体积约束两种不同条件下,以[火积]耗散最小（也即平均传热温差最小）为目标对电磁体进行了构形优化．另外,分析了高导热材料对磁场的影响,并研究了平均传热温差最小值随体积、磁场强度的变化规律．     

基于耗散率最小的“盘点”脉管网络构形优化

以有限温差传热和流动阻力引起的最小耗散率和耗散数为优化目标,在圆盘总面积和脉管网络总体积给定的条件下,对圆盘区域内一级、二级和三级脉管网络进行构形优化,得到耗散率和耗散数最小的各级脉管网络最优构形.结果表明当参数B1?10??时,在相同无量纲质量流率M*(1?M*?102)下,耗散率最小和熵产率最小的一级脉管网络最优构形有明显区别.对于二级脉管网络,当无量纲质量流率在1?M*?102范围内时,传热耗散和流动耗散大小相当,此时脉管网络最优构形随质量流率变化显著.在相同脉管网络总体积和圆盘半径条件下,相同无量纲质量流率时,一级、二级和三级脉管网络最小耗散数性能几乎相同;当无量纲泵功率*5?10(?1,2,3)?i W i时,随着脉管级数的增大,脉管网络最小耗散数减小,此时增加脉管网络的复杂度有利于提高脉管网络的性能.此外,还以复合耗散率为优化目标对脉管性能进行优化.优化结果可从传热优化角度为脉管系统设计提供参考.     

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(火积)理论的H形多尺度换热器构形优化

与换热器热有效性定义类比,定义换热器的(火积)耗散有效性为无量纲(火积)耗散率与无量纲总泵功率之比.以(火积)耗散有效性最大为优化目标,分别在换热器管道总体积和总表面积一定的约束条件下,对H形多尺度换热器进行构形优化,得到(火积)耗散有效性最大时的H形多尺度换热器最优构形.结果表明在换热器管道总体积一定的条件下,对于一级T形换热器,当冷、热流体质量流率较小时,热有效性和(火积)耗散有效性最大的一级T形换热器最优构形是明显不同的.对于H形多尺度换热器,给定换热器级数时,(火积)耗散有效性随质量流率的增大而减小;给定无量纲质量流率M(M<32.9)时,(火积)耗散有效性随换热器级数的增加而减小.H形多尺度换热器与H形单尺度换热器相比,多尺度换热器性能得到显著提高.此外,本文还对换热器管道表面积约束的情形进行了讨论.本文优化结果使得换热器的传热和流动性能得到很好的兼顾,可为换热器的优化设计提供参考,有助于丰富(火积)理论内涵.     

基于平板热管技术的电池热管理系统实验研究

温度是影响锂离子动力电池性能的关键因素,本文采用平板热管作为电池热管理的传热部件,实验研究了平板热管在不同电池产热功率条件下的传热性能和均温性,理论计算了平板热管扩散热阻及导热系数.研究表明,在25 W产热条件下,平板热管扩散热阻为0.044℃W-1,等效导热系数650 W K-1,随着电池产热功率的增大,平板热管的扩散热阻降低,等效导热系数显著增大.在多热源条件下,平板热管表面最大温差低于4℃,表明其较好的均温性,在电池热管理系统中具有较好的应用前景.     

非等温、非灰体不透明漫射固体表面组成的封闭空腔中的辐射（火积）流及其应用

对于不透明漫射固体表面组成的稳态封闭空腔表面辐射传热系统,分别针对非等温灰体漫射表面和非灰体漫射表面定义了辐射（火积）流、单色辐射（火积）流等概念.基于这些定义,分别在全波长和单色波长下得到了辐射（火积）平衡方程和辐射（火积）耗散函数,进而发展了辐射（火积）损失极小值原理、辐射（火积）耗散极值原理和最小辐射热阻原理.辐射（火积）损失极小值原理表明,满足控制方程和边界条件的热势与热流分布,必使系统的辐射（火积）损失达到极小值.辐射（火积）耗散极值原理表面可通过寻求辐射（火积）耗散的极值来获得给定系统传热量时的最小系统平均传热势差以及给定系统平均传热势差时的最大传热量;而最小热阻原理则表明,辐射（火积）耗散的极值与最小辐射热阻是相对应的.本文还给出了单色辐射（火积）耗散极值原理和最小单色辐射热阻原理的应用算例,论证了该原理的适用性.     

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.     

（火积）在航天器热控系统并联热网络优化中的应用

本文针对航天器热控系统中并联热网络的流量分配与面积分配的优化问题,建立了其数学物理模型,并结合（火积）理论对其进行了分析计算和讨论.理论分析发现,该问题的优化设计目标（当量传热温度最低）与（火积）耗散极值原理所指出的优化方向是一致的.以两支路热网络系统为例,本文采用牛顿法对系统的（火积）耗散率求极值,对其流量分配与面积分配问题进行了优化计算,对比了最小熵产原理与（火积）耗散极值原理在分析该类问题时的异同,并根据计算结果讨论了优化结果的影响因素.研究发现,（火积）耗散极值原理在分析航天器传热优化问题中更具适用性;在优化结果的影响因素方面,支路的散热任务和总的传热面积对优化结果影响较大;对于冷流体流量,当其值超过某个阈值时,它对优化结果将几乎没有影响.同时,本文的计算结果表明,牛顿法是计算本问题的有效方法,在十支路热网络系统中仍可在较短计算时间内给出优化结果.     

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.