不可逆循环的广义热力学动态优化研究进展

本文在简要回顾有限时间热力学、熵产生最小化理论、理论、广义热力学优化理论的基础上,从理论热力循环(包括恒温热源理论热机循环,变温热源理论热机循环,串接、联合和多热源理论热机循环,具有非均匀工质的理论热机循环,多级热力循环)、理论化学机循环(包括单级等温化学机循环,单级非等温化学机循环,多级等温化学机循环,多级非等温化学机循环)、工程热力与化学循环(包括活塞式加热气缸膨胀过程,内燃机循环,光驱动发动机循环)、商业机循环等不可逆循环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,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,包括建立广义机模型.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

能源互联网重要基础支撑:分布式储能技术的探索与实践

可再生能源分布式发电的能量波动性以及用户驱动的能量需求的时空随机性,导致能源互联网中能量流本身具有先天的不确定性与无秩序性,因此,分布式储能技术由于可以有效消除能量流的不确定性,并使能量的时空转移和能量流的有序流动成为可能,成为能源互联网重要基础支撑.分布式电池储能作为一种重要的储能方式,电池单体本身非线性特性与电池成组或成网后单体间的差异性,使得电池储能系统"管理好"成为真正"使用好"的基础.但是,电池成组或成网后将构成复杂巨系统,这对"管理好"带来巨大的挑战.因此,本文基于作者多年理论与技术的成果积累,总结了一套适用于分布式储能的大规模电池网络优化管理的理论与方法,包括:单体和电池组或电池网络的建模与状态参数精确估算;基于模糊测度的电池网络特征提取及快速计算;基于自适应动态规划的电池网络优化管理.随后,本文将基于能源互联网思想的分布式储能架构及其管理优化方法与技术引入数据中心,并给出了其在数据中心中实际应用原型系统介绍.本文工作可以为能源互联网的重要基础支撑—分布式储能技术—的研究与应用提供方法指导与技术支撑.     

光子增强热离子太阳能电池的性能研究

基于光子增强热离子太阳能电池(PETSC)的模型,考虑温度对半导体禁带宽度的影响,应用半导体物理学和不可逆热力学理论,研究PETSC的优化性能特性.分析阴极的电子亲和势和阳极的功函数等重要参数对PETSC太阳能电池性能的影响,结果表明,由于半导体硅材料的禁带宽度与阴极温度有关,则可同时对电子亲和势和阳极的功函数进行优化,因此PETSC的最大效率可达37%.本文所获得的一些结论可为实际PETSC的设计和优化运行提供理论依据.     

面向晶体管级广义门电路的PTM可靠性计算

不精确的广义门电路可靠性映射到门级或高层应用时误差容易因规模效应等而被过度放大导致结果不可靠.本文选择了在门级电路可靠性精确评估中得到有效验证的PTM模型用以精确计算晶体管级广义门电路的结构可靠性;分析了晶体管级广义门电路结构的逻辑抽象并转换成了功能一致的门级电路结构的逻辑抽象形式;提取了电路各组成单元的故障点及主要故障模式,并构建了与之相对应的面向故障的概率转移矩阵;依据各组成单元间的串并联特点,在有考虑输入信号故障的情况下,通过门级PTM方法的运算法则计算得到了晶体管级广义门电路的结构可靠性.在典型的CMOS广义门电路上的实验结果验证了本文所提方法的有效性,还分析了广义门电路的可靠性与其各主要类型故障之间的关系,并获得了一些有意义的结果.     

广义非线性强度理论及其变换应力空间

基于摩擦材料的试验规律和在前人研究成果的基础, 提出了广义非线性强度理论, 它用一个表达式统一描述π 平面及子午面上各种材料的非线性强度特性, 包含或逼近了现有的非线性单一强度理论. 在主应力空间中, 广义非线性强度理论在π 平面上的破坏函数为介于SMP准则和Mises准则之间的光滑曲线;在子午面上的破坏函数为幂函数曲线. 在基于广义非线性强度理论的变换应力空间内, 广义非线性强度理论可以合理地与各种以p和q为应力参量的本构模型相结合, 使模型简单地实现三维化.     

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.     

基于广义L_2偏差的点集优化与多维数值积分

针对多维积分与随机动力响应分析问题,基于广义Koksma-Hlawka不等式,考虑赋得概率的影响,提出点集优选的广义L2(Generalized L2,GL2)偏差最小化准则,从而将代表点集优选转化为一个非线性优化问题.对于给定点集坐标情况下的赋得概率优化问题,建议了两步优化法.严格论证了赋得概率优化问题解的存在唯一性.通过典型算例分析,比较了多种点集的偏差及其在数值积分中的精度,验证了所建议方法的有效性和优越性.在此基础上,采用概率密度演化理论,实现了钢筋混凝土框架结构的非线性随机动力响应分析.     

改进果蝇优化算法优化广义回归神经网络的预测问题研究

为提高传统非线性预测模型的预测精度,提出一种基于改进果蝇优化算法优化广义回归神经网络的预测方法,将果蝇群体分两部分分别进行迭代寻优,从而改进了果蝇优化算法的寻优性能,进而避免了在寻优过程中陷入局部最优。该方法利用改进果蝇优化算法优化广义回归神经网络的径向基函数扩展参数,然后用训练好的广义回归神经网络预测模型进行预测,最后通过订单预测算例进行实证研究。实证研究结果显示,该方法在解决订单预测问题中与未改进的果蝇优化算法优化广义回归神经网络和传统的广义回归神经网络方法对比,具有更高的预测精度和更好的非线性拟合能力。     

机械产品的广义优化设计进程研究

提出了机械产品广义优化设计的进程,包括功能优化,方案设计优化,技术设计优化和结果分析评价等环节,体现了面向产品全系统,全过程和全性能优化,人类智能优化与人工智能优化密切结合的广义优化设计特色。     

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.     

平衡探索与利用的广义鸽群优化算法

为了平衡鸽群优化算法的探索与利用能力,本文提出了一种广义鸽群优化算法.传统的鸽群优化算法包含两种优化算子,分别为地图与指南针算子和地标算子.这两种算子依次执行,在一次算法运行中,仅执行一轮迭代.在广义鸽群优化算法中,将算法搜索分为多个阶段,每个阶段分别执行两种算子.在算法的一次运行中,两种算子执行多轮.地图与指南针算子侧重于算法的探索能力,而地标算子侧重于算法的利用能力.改进算法仅改变了两种算子的执行顺序,无需增加额外的函数值计算.此外,广义鸽群优化算法扩展了解集合结构和算子参数设置,这对于提高算法的搜索质量大有裨益.在11个单目标测试函数和8个多模态优化测试函数上进行仿真对比试验,结果表明广义鸽群优化算法提高了鸽群优化算法的搜索效率,改进了算法的搜索结果.     

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.     

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.     

闭口系统的间接做功能力及其度量

本文将系统对外做功的方式分为间接和直接做功两类,并对这两类做功过程进行了分析和讨论.对于间接做功过程,(火积)可以描述系统做功能力的变化,并可用于这一类做功过程的分析与优化,而熵产最小化方法并不总适用.然而,现有(火积)理论不能用于描述系统直接做功能力.     

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.