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.     

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(火积)耗散率最小的离散和连续变截面导热通道构形优化

应用基于离散变截面导热通道的(火积)耗散率最小构形方法,对变截面导热通道单元体进行了构形优化,并与基于定截面导热通道单元体所得优化结果相比较,结果显示:基于变截面导热通道单元体所得平均温差最小值随构形级数的增加而增加并趋近于定值,而基于定截面导热通道单元体所得平均温差最小值随构形级数的增加而减小并趋近于定值.两者的差异是由于第一级构形体的无量纲平均温差不同造成的.提出了普适的提高结构体传热能力的自相似构形优化方法及准则:将无量纲平均温差为α,长宽比(H/L)为β的矩形单元4个组合,热流节点间导热通道截面面积比为2:1,连续组合两次,得到(H/L)为β的下级构形体.若α(4+4β+β2)/9β,平均温差随着构形级数的增加而增加并逐步趋于定值;若α=(4+4β+β2)/9β,各级构形体平均温差相同;若α(4+4β+β2)/9β,平均温差随着构形级数的增加而减小并逐步趋于定值.应用基于(火积)耗散率最小的自相似构形优化方法,多级构造后构形体的平均温差趋近于定值.     

基于三角形单元体的气-固反应器构形优化

将构形理论引入多孔介质气。固反应问题中进行研究，首先以三角形单元体为研究对象，以传热传质过程中的熵产生最小为优化目标，对给定微小区域进行外形优化；在此基础上，将得到的最优结构的三角形单元体组装成新的矩形构形体，进行同样的构形优化；持续类似工作直至覆盖整个控制体，得到了完整的解析解；由数值计算分析了相关参数对熵产生的影响；与相关文献中以矩形单元体为基础进行构形优化得到的结果进行了比较分析。     

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.     

导热优化的“树网”构造法的改进

对基于构形理论的“树网”构造法进行了重新分析, 将各级构造体必须由最优的上一级构造体组成的前提去掉, 对高效导热通道分布进行了重新优化, 证明了“树网”构造法是不完善的, 得到了更优化的结构以及在两种导热材料的导热系数及体积比一定时的极限最小热阻等结论.     

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(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.     

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[火积]耗散极值原理的蒸汽发生器构形优化

应用[火积]耗散极值原理和构形理论，采用解析方法对蒸汽发生器进行构形优化设计．结果表明：最优管道间距、烟气质量流率和最大[火积]耗散率都取决于无量纲管径、烟气的无量纲压降数和烟气流道的无量纲长度，而最优管道数量以及上升管和下降管的数量除了取决于这3个无量纲数，还取决于无量纲管道高度．当驱使烟气流动的压差增大且管径和烟气流道长度都减小时，最大[火积]耗散率增大，高温烟气的热量传递过程的平均热流变大，系统性能得到了提高．相比基于传热率最大的最优构形，基于[火积]耗散率最大的最优构形更能提高蒸汽发生器的整体传热性能．     

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(火积)理论的船用锅炉构形优化

基于(火积)理论和构形理论,在三个主要换热部件(蒸发器、过热器和经济器)总换热面积一定的约束条件下,以第Ⅲ对流蒸发管束外径、过热器管外径和经济器管外径为优化变量,对船用锅炉进行性能优化,得到整体锅炉的最优性能和最优构形.首先,以(火积)耗散率和耗功率线性加权组成的复合函数为目标进行优化,并分析保热系数、加权系数和换热率等初始设计参数对整体锅炉构形优化结果的影响.结果表明:第Ⅲ对流蒸发管束无量纲管外径、过热器无量纲管外径和经济器无量纲管外径分别存在最佳值1.2, 1.3和1.1,使得复合函数取得三次最小值0.737.相比于初始设计点,优化后整体锅炉的复合函数最高降低26.3%,锅炉综合性能得到显著提升.其次,采用NSGA-Ⅱ算法对整体锅炉进行两目标优化得到相应的Pareto前沿和锅炉最优构形,为整体锅炉的性能优化和结构设计提供一个更为广泛的选择空间.本文研究结果可为各种锅炉的性能优化设计提供理论指导.     

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.     

基于仿生优化的高效导热通道的构造

针对导热优化的一个基本问题，即体点问题，采用基于生命演化原理的仿生优化方法，对导热区域中插入的高导热材料的布置进行了优化，构造了不同条件下的高效导热通道。优化时首先根据温度梯度均匀化的原则，通过数值方法模拟了高导热材料的进化和退化过程，得到高导热材料最优布置，然后对其结构特征进行分析，最后构造出具有该结构特征且便于实施的规整结构。结果表明，当区域中的内热源为均匀分布以及高导热材料与基底材料的导热系数比值比较大时，仿生优化得到的高导热材料结构与树网构造方法得到的结构具有类似的结构特征与相近的传热效果。当内热源为均匀分布且导热系数比值比较小时，高导热材料主要集中在热量的出口。当内热源为非均匀分布时，导热材料密集在具有热源的区域内，并在热源和热量出口之间构建了高效导热通道。     

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.