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.     

基于广义传热定律的斯特林循环熵产分析和■分析

基于广义传热定律,本文将■理论和熵产最小化理论应用于有限热容热源下的斯特林循环的优化分析,以系统输出功和热效率为分析对象,讨论了■损失率、功引起的■变化率、■耗散率、■损失系数、熵产率、熵产数和改进熵产数等参数在优化分析中的适用性.本文主要讨论了3种不同的工况.研究表明,在这3种不同的工况下,■损失率和功引起的■变化率始终随着输出功率的增加而增加,■损失系数也一直随热效率增大而增大;然而,■耗散率的增大或熵产率的减小并不总是使得输出功率增大,同时,熵产数和改进熵产数也并不总随热效率的增大而减小.可见,对本文讨论的3种工况而言,■损失率、功引起的■变化率以及■损失系数这3个概念是适用的,其他参数则并不总是适用.基于上述分析结果,本文还对关于■理论的争议进行了简要的讨论,分析了某些负面评论存在的主要问题,如篡改原文、逻辑不一致、简单重复学术观点、重新命名关键概念甚至人身攻击等.这些■理论的负面评论并不属于真正的学术讨论,需要加以注意;本文的研究结果在一定程度上也可作为对部分负面评论的回应.     

换热器设计中的炽耗散均匀性原则

本文建立了烘耗散均匀分布原则（EoED）：在给定热负荷和换热面积条件下，当局部煅耗散率在换热器中均匀分布时，总的煳耗散率取得最小值．并且证明了当传热系数不固定时，煅耗散均匀分布所得出的总煳耗散率小于温差均匀分布所得出的总煅耗散率，而有效度大于温差均匀分布的结果．如果假设换热系数固定，则煅耗散均匀分布等价于冷热流体的温差均匀分布．发现用熵产均匀分布原则和愀耗散均匀分布原则对换热器进行优化得出的熵产和煅耗散不相同．本文从理论上分析了熵产最小法与煅耗散最小法的适用范围：前者用于换热器的优化是基于使做功能力损失最小，而后者没有涉及到做功过程．并举例验证了熵产最小法与烛耗散最小法的区别，计算结果表明熵产数不适用于不同换热器间性能的比较，因为它直接依赖于流体的出入口温度；而煅耗散数不直接依赖于流体的出入口温度，因此，更适合作为不同换热器之间性能比较的标准．     

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.     

一种实际不可逆循环系统的等价热力变换分析法

提出一种等价热力变换分析法，它根据有效能消耗总伴随着热量输运过程的物理事实，定义了各子过程和循环的等效热力温度，把实际不可逆循环的热力／热泵循环系统等价变换为简单的正／逆卡诺循环系统进行分析，导出的等效高温热源温度计算式奠定了等价热力变换分析法的基础；提出采用玮．h图和TR—q图作为热力／热泵系统性能分析和有效能消耗分析的工具图，可直观表示热力系统中多种物质的热量、功量交换和焓的变化，易于计算出系统性能系数和各项有效能消耗；以热泵热水器和R22工质为例，系统介绍了等价热力变换分析法，示范性给出了等价热力变换分析法中关键参数的拟合式，展示了该分析法在变工况性能模拟和推算应用中的优势和良好前景．     

基于增强协同与减少耗散的对流传热强化理论研究

对流传热具有守恒、协同和耗散三大特性,揭示其内在联系与基本规律对发展对流传热强化理论意义重大.本文基于能量和动量传输的本构和守恒关系,全面审视对流传热的多场协同与不可逆耗散机制,分析流体传热、耗功及惯性协同角之间的相互关系,提出反映对流传热不可逆耗散的热效率和?效率,探索基于增强协同与减少耗散的对流传热强化理论.基于此,提出一种V型复合肋槽强化传热管并进行湍流换热计算模拟.研究发现:与光滑圆管相比,在管壁形成V型复合肋槽可减小强化管的传热和惯性平均协同角,热效率和?效率分别超过92%和34%,性能和效能评价系数分别为1.22～1.69和0.53～1.07.     

基于协同与耗散的能质传输理论

本文聚焦热力学流和力的本构关系,揭示能质守恒方程中热流、质流、功流和动量流的扩散机制,协同方程中热力学力的协同机制,以及平衡方程中热力学流的耗散机制.通过考察多物理场的相互作用,建立流体传热、传质、耗功以及动量传输之间的协同关系.通过分析传输过程的能质耗散,表征热、质、功和动能的传输损失和传递效率.最终提出宏观能质输运统一方程组,架构基于协同和耗散的能质传输理论体系.     

对耗散结构中熵的探讨

经典耗散结构对其有序的分析虽然误用了热力学第二定律和无序度的熵，但这掩盖不了耗散结构本身的价值。耗散结构的有序是耗散结构在形成过程中各因子之间形成的相互联系，它是一个宏观整体的概念，反映了系统内部的联系程度，与无序度熵有着本质的区别。对于系统内的桌一粒子、要素、子系统来说是并无有序的概念可言。耗散结构中熵的实质是宏观有序和能量转换，体现的是热力学第一定律。热力学第二定律的使用前提是孤立系统，耗散结构中并不存在孤立的内部系统，无序度熵的引入，严重误导了对熵的本质理解。不能用封闭的、静态的、机械的、线性的观点看待开放的、动态的、有机的、非线性的物理过程。探讨熵的实质。对科学研究的方法和思维有重要意义。     

(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.     

原子力显微镜探针与样品的微观接触及黏滑数

原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)的扫描探针、针尖以及样品组成了一个微观接触、弹性变形、相对运动和摩擦的系统. 采用微尺度黏着接触理论的M-D模型, 研究了微探针针尖和样品表面的弹性接触和相对运动, 探究了扫描过程中能量的转换和耗散过程. 推导出了无量纲的黏滑数, 模拟出了不同黏滑数下的AFM侧向力信号: η＜1时, AFM侧向力信号十分微弱, 没有剧烈突变; η = 1时, 出现针尖跳跃现象(对应微观黏滑现象), 但没有能量损耗; η＞1时, 针尖跳跃滞后加强, 黏滑现象明显, 并且伴随能量耗散. 该无量纲参数揭示了微观黏滑现象产生的机理, 统一地表示了探针刚度、结构参数、黏着接触表面、载荷、样品形貌以及扫描参数的综合作用和影响, 并与现有的AFM测试结果吻合良好. 最后, 提出了从AFM侧向力信号中定量提取摩擦力信号的分析方法.     

微纳米线材多物性参数综合表征系统的研发

微纳米线材具有与宏观材料显著不同的性能,在微纳机电系统传感器和微纳电子器件中有广泛的应用.由于宏观尺度下的测量方法难以适用于纳米尺度材料物性的表征,研发表征微纳米线材物性参数的方法和技术越来越引起广泛关注.本文开发了一套综合测量微纳米线材热物性、电物性和热电转换性能的高集成表征系统,能够实现对微纳米线材在40~500 K范围内的精确综合测量,可测量的物性包括电导率、电阻温度系数、热导率、热扩散率、比热、吸热系数、塞贝克系数和优值系数.针对上述系统,本文进行了不确定度分析,且对已知物性参数的铂(99.95%Platinum)和康铜(Constantan,60%Cu 40%Ni)细线进行了测量和对比,校验了本系统的测量精度.本文研发的表征系统填补了国际上纳米线材多物性参数测量系统的空白.     

熵的宏观物理意义的探索

基于闭口热力系可用能的概念,探讨了熵的宏观物理意义.将热力系从初态(给定状态)到达末态(与环境相平衡的状态)的过程分为2个连续子过程:等容过程和绝热过程,它们也可分别称为热力系与环境的热相互作用(间接作功)和功相互作用(直接作功)过程.揭示了熵的宏观物理意义是系统与环境进行热相互作用(间接作功)时不可用性的量度,这一表述相比于现有文献更为确切.定义了不可用能函数,在等容过程和绝热过程中,它们的表达式分别为T_0S和p_0V,其变化量分别代表闭口热力系统在等容和绝热过程中的不可用能.最后,通过比较克劳修斯和玻尔兹曼对于绝对熵的宏观和微观表达式,在一定程度上建立了2种表达式之间的联系.     

两流体换热器内粘性热对两流体（火积）的影响

以水和橄榄油为例研究了两流体换热器内只考虑传热引起的（火积）耗散的情况下,粘性热对换热过程中两流体（火积）的影响.结果表明,对于动力粘度较大的流体粘性热对两流体（火积）损耗的影响不能忽略.粘性热效应维持了流体的传热能力,使换热过程的（火积）的损耗幅度相对减小;粘性热效应增加了导热引起的熵产,使换热过程的可用能损失相对增加.对于动力粘度较大的流体,在换热面积固定的条件下当流体质量流率增加到一定程度时,粘性热效应对（火积）的贡献幅度甚至大于传热引起的（火积）的耗散幅度,从而使换热器内损耗的幅度随着质量流率的增加而减小.在其他条件相同的情况下,选择冷流体为较小热容流率的流体时传递单位热量下的传热（火积）损耗率和熵产率要小于选择热流体为较小热容流率的流体时传递单位热量的传热（火积）损耗率和熵产率.     

辐射热力学的新进展——辐射有效能 光量子等效温度 光量子熵常数

对辐射热力学中光谱辐射能热力学特性研究的新进展进行了回顾．介绍了表征光量子能量品质的光量子等效温度乃新参数，给出了乃与波长的关系式λTλ=c3=5．33016×10^-3m·K和光量子熵常数sλ=3．72680×10^-23J／K．用Tλ和sλ讨论了黑体光谱辐射力、平衡态空腔辐射能、开口系辐射流等的有效能、熵参数、焓参数的表征及光子气的状态变化过程的熵变化；通过光谱辐射有效能的分析，证明了用于光合作用的光谱辐射能量的有效能效率大于光能量的有效能利用率．讨论了辐射能转换器的辐射有效能不可逆损失的计算方法．     

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.     

异种纯金属固-固界面化合反应初生相孕育期的动力学极限

以最小熵产生原理、昂色格倒易关系等线性不可逆过程热力学理论为基础建立模型，讨论了在扩散焊等温、等压条件下，一对可产生界面化合反应的固相纯金属，其连接界面演变初期，异种元素互扩散与界面化合反应两线性不可逆过程的相互关系；揭示了界面反应初生相孕育期在动力学上的必然性，得到了初生相孕育期的动力学极限以及初生相的动力学临界形核尺寸，并以Al-Mo界面反应为载体，对相关理论计算值与相应实验结果进行比较，证明了其理论分析的可靠性．     

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.     

（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.     

一类单向等温传质过程积耗散最小化

对一类服从菲克扩散传质定律[g∝△ （c）]的单向等温传质过程进行了研究,首先从质量积的定义式出发,导出反映该传质过程质量传递能力损失不可逆性的积耗散函数,然后应用最优控制理论获得了对应于传质过程积耗散最小时的高、低浓度侧关键组分浓度的沿程最优分布,并与熵产生最小、传质流率一定（浓度之差为常数）和浓度之比为常数（化学势之差为常数）等传质策略进行了比较.结果表明对应于积耗散最小时的最优传质策略为高、低浓度侧关键组分浓度之差的平方与低浓度侧惰性成分浓度的乘积为常数,而对应于熵产生最小时高、低浓度侧关键组分的浓度之差的平方与低浓度侧关键组分浓度之比为常数;当传质过程不涉及能量转换时,优化准则应为积耗散最小,浓度之差为常数的传质策略要优于浓度之比为常数的传质策略.本文的研究结果对于实际传质过程最优设计与运行具有一定的理论指导意义.     

基于内能分解的力-热-化多物理场耦合系统连续介质力学

本文将内能分解为可逆自由内能和不可逆耗散能两部分,基于连续介质热力学获得了考虑传热、传质、化学反应和宏观形变的开放系统守恒律,以及相应的力-热-化多场耦合本构关系和演化方程的表达式,从而建立了基于内能分解的力-热-化多场耦合理论框架以及等效积分弱形式,最后给出了一个典型的力-化耦合问题数值算例.