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.     

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.     

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.     

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.     

烧结烟气余热驱动圆筒式两级热电发电装置热力学分析与优化

针对钢铁工业中烧结烟气余热资源丰富但回收利用率低的现状,建立了烧结烟气余热驱动圆筒式两级热电发电装置的有限时间热力学模型.以最大功率输出为目标函数,应用Matlab优化工具箱优化了热电单元尺寸和工作电流,分析了烟气换热通道几何尺寸和多边形边数对优化变量和最优性能的影响,并从经济性角度计算了投资回收周期.结果表明:对于正方形截面管道,烧结烟气为350℃时,优化前功率为5.59 k W,优化后功率为7.97 k W,提高42.39%.热电模块价格为40元/块时,设备回收周期为6年左右.     

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.     

太阳能驱动热电子-热辐射耦合器件的优化性能

基于真空热电子和热辐射器件模型,构建一类太阳能驱动热电子-热辐射耦合器件的理论模型.应用有限时间热力学、热电子发射和普朗克辐射理论,导出耦合器件的热平衡方程和能量转换效率表达式.首先,讨论热电子器件短路、热辐射器件开路、两子器件串联时的热学和电学性能,分析系统在最大效率时的参数特性.其次,确定两子器件独立运行时的系统最大效率和优化条件,揭示阳极板功函数、聚光器的聚光因子和光学效率对优化性能的影响.研究结果表明耦合系统在两子器件独立产生电能时的性能最优,可为聚光太阳能驱动热电转换系统的设计提供理论指导.     

月球软着陆飞行动力学和制导控制建模与仿真

着重对月球软着陆制动段、接近段和着陆段的飞行动力学模型进行了研究,同时基于动力学模型对各阶段制导律进行了优化设计.制动段飞行时间和距离较长,拟采用均匀球体模型,该模型也是软着陆全过程下降轨迹分析和动力学仿真的基础;制导律设计中考虑到该段燃料消耗很大,主要以燃料最优为设计指标.接近段距离月面较近,且经姿态调整后接近垂直下降,拟采用平面月球模型;制导律设计采用基于重力转弯技术的最优开关制导律.着陆段几乎垂直下降,动力学模型可在平面月球模型的基础上简化为一维垂直下降模型,制导律设计拟在垂直方向采用简单的程序制导方式.最后,在考虑测量、推力误差以及环境干扰等影响下对着陆精度进行了初步仿真分析,结果表明,给出的软着陆三阶段动力学模型和制导律是可行的.     

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.     

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.     

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.     

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.     

微型旋转摆式发动机性能影响因素分析

针对一种新型差速式、无停顿旋转摆式发动机开展研究,建立MATLAB环境下较为完善的热力学仿真模型,计算结果表明:缩短燃烧持续时间有利于提升发动机性能;泄漏和传热是影响发动机性能的两个主要因素,低频运行时泄漏影响较大,高频运行时传热因素更敏感;发动机效率及功率随间隙尺寸增大而降低,当泄漏间隙一定、频率增大时,效率及功率随之会先增加后减小.考虑泄漏、传热影响后,若泄漏间隙控制在20μm,工作频率50 Hz时发动机达到最大热效率为17.36%,工作频率100 Hz时发动机达到最大功率为2121.2 W.较之微小尺寸级的百瓦级微型热机,微型旋转摆式发动机性能优势明显.     

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.     

化学能与物理能综合梯级利用原理

尝试拓展传统热力循环的基本原理框架, 研究提出了化学能与物理能品位综合梯级利用的新原理. 建立了燃料物质能品位、化学反应Gibbs自由能品位和物理能品位三者关联的基本方程; 揭示了燃烧反应Gibbs自由能的品位降低和中低温热的品位提升耦合的化学能品位梯级转化利用规律; 基于化学链燃烧、燃料重整的间接燃烧的研究, 提出了能量释放新机理.     

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.     

基于闭环控制的自主交会多目标最优轨迹设计

对闭环控制条件下的自主交会多目标最优轨迹设计方法进行了研究.基于相对动力学方程,建立了以仅测角为测量参数的相对导航模型;根据线性协方差分析方法,对追踪器在仅测角条件下的相对导航及相对运动轨迹控制偏差进行了分析,并以此为基础,建立了评价自主交会轨迹鲁棒性的指标.采用NSGA-II多目标遗传算法,对考虑燃料消耗和轨迹鲁棒性的多目标最优自主交会轨迹设计问题进行了求解.最后,通过MonteCarlo打靶仿真验证了协方差分析结果的正确性,并对Pareto可行解集中的相对位置鲁棒性最优解进行了仿真验证.     

低Mach数反应流动的格子Boltzmann模型

提出了一种新的易实现的耦合格子Boltzmann(CLB)模型来模拟密度可以有很大变动的低Mach数反应流动. 不同于文献中已有的用于模拟低Mach数反应流动的格子-有限差分混合格式(HLB)和非耦合的格子Boltzmann(NCLB)模型, 模型仅借助格子Boltzmann方法, 并且动量方程、能量方程与组分方程通过密度与温度间的关系耦合. 使用该模型对丙烷预混对冲火焰进行了模拟.     

刚-弹-液耦合动力学的功能型拟变分原理

随着火箭运载能力、卫星工作寿命和深空探测器任务复杂度的不断提高,液体推进剂占航天器总质量的比例也不断增加,充液系统动力学成为理论界关注的课题.本文在以往研究的基础上,应用功能转换原理和能量守恒定律,建立了充液系统刚-弹-液耦合动力学的功能型拟变分原理.通过推导拟驻值条件,建立了刚-弹-液耦合动力学的控制方程.本文对刚-弹-液耦合动力学的功能型拟变分原理在有限元素法中的应用进行了研究,为大规模液固耦合模型建模计算的应用研究提供了理论支持.     

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.