换热器组传热性能的优化原理比较

换热器组内的传热过程目的一般可以分为两类:一类是为了热功转换,另一类是为了加热或者冷却物体.相应地,传热过程也包含熵产最小以及??(火积)耗散极大这两种不同的优化原理.通过分析换热器组内的传热过程,并在一定约束条件下利用不同的原理对换热器组的面积分配进行优化,得出熵产最小原理适用于包含在热力循环中的换热器优化问题,而沫...     

最小热量传递势容耗散原理及其在导热优化中的应用

基于热量传递现象的本质, 从传热学的角度定义了热量传递势容和热量传递势容耗散函数, 它们的物理意义相应为热量传递能力的总量和热量传递能力的耗散率. 针对以提高导热效率为目标函数的导热过程优化, 提出了最小热量传递势容耗散原理, 即在总导热能力一定的条件下, 当热量传递势容耗散为最小时的导热系数分布为最佳, 即其导热效率最高. 最后, 举例说明了最小热量传递势容耗散原理在导热过程优化中的应用.     

矩形腔内接触熔化过程的熵产

Gordon等曾对矩形腔内的一维非接触熔化进行了熵产分析,得到最优的加热熔化方式.不过由于他们假设了熔化过程液体层内完全线性导热的条件,因此,所得结果有较大的局限性.本文则要讨论接触熔化过程的熵产.     

孤立系统内传热过程的火积减原理

从热力学第一、第二定律出发, 基于熵的概念, 可以得出孤立系统的熵增原理和孤立系统、定温定容系统等的热平衡判据. 本文基于火积的概念, 得出了孤立系统内传热过程的火积减原理, 发现在孤立系统内的热量传递过程中, 火积总是减小的, 该原理可以视为热力学第二定律在传热过程中的一种表述. 本文还得到了孤立系统和封闭系统的热平衡判据, 即最小火积原理和最小自由火积原理, 发现孤立系统在达到热平衡时系统的火积最小, 而封闭系统在热平衡状态下自由火积最小. 这就表明, 在传热过程中, 火积和熵一样, 都可以作为时间之矢, 指出其发展方向; 而且, 火积也可以用于描述系统的平衡态.     

热力学第二定律克劳修斯表述的误解及其后果

简单介绍了热力学第二定律的卡诺表述,详细分析了克劳修斯为改进卡诺表述所做的相关工作.分析表明,热力学第二定律的克劳修斯表述应该是:"热功转换和热量在不同温度间转换的等价定理",而不是"不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化",后者只是在证明转换等价定理过程中应用到的基本原理;热力学第二定律的克劳修斯表述本身描述的都是可逆过程,从而才能够导出热力循环的克劳修斯等式和描述物体转换含量的熵.把克劳修斯表述理解为"不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起其他变化",会导致认为热力学第二定律是描述过程方向性和不可逆性的规律.其后果是,错误地认为最小熵产原理能够用于导热过程输运定律的导出和传热过程的优化.     

(火积)理论及其应用的进展

(火积)和(火积)耗散极值原理的提出,为传热优化开辟了新的方向.回顾了(火积)理论的产生与发展过程,从导热、对流换热、辐射传热、换热器设计、传质等方面介绍了(火积)理论的研究进展.重点围绕(火积)耗散率与熵产率的异同点比较分析、(火积)耗散极值原理与有限时间热力学相结合、(火积)耗散极值原理与导热构形优化相结合、(火积)耗散极值原理与对流构形优化相结合等四个方面,阐述了(火积)耗散极值原理的科学性.     

基于火积耗散率最小的“盘点”导热构形优化

基于构形理论, 以火积耗散率最小为优化目标, 对“盘点”导热进行了构形优化, 并确定了圆盘中高导热材料采用辐射状布置还是树状布置的临界点. 结果表明, 两种材料导热系数之比和高导热材料所占体积比的乘积决定了该临界点的位置; 基于火积耗散极值原理可以设计出圆盘传热性能最优的构形. 对比分析以火积耗散率最小和最大温差最小为目标的优化结果, 发现分别对应两种优化目标的最优构形明显不同. 当两种材料导热系数之比和高导热材料所占体积比的乘积值为30时, 对于前者, 高导热材料采用辐射状布置还是树状布置的临界点为圆盘无量纲半径等于1.75, 而后者的临界点为圆盘无量纲半径等于2.18. 前者的最优构形相比后者的最优构形可以较大程度降低圆盘的平均传热温差, 明显地改善了传热性能.     

热功转换循环规律的另一半:逆循环的定理、定律和核心物理量

在回顾卡诺定理、热力学第二定律(正循环等价定律)以及核心物理量熵时,发现它们主要讨论的都是热量通过可逆循环转换为功量的规律.即使对于热泵或制冷逆循环,仍然应用正循环的概念和分析方法讨论它们的性能.然后以逆卡诺循环为例,分析和证明了两温限下逆卡诺循环的性能系数不是最大而是最小.随之提出了一个新的逆循环,它是由两个等压和两个等容过程组成,可称之为逆压容(p-V)循环.在净功量给定和两温限条件下,逆压容(p-V)循环的性能系数远大于逆卡诺循环的性能系数.此结果表明,逆循环中功量是有品位的,压力就是功量的品位.最后建立了逆循环的等价定律和逆循环等式,并引入了功熵的概念.基于逆循环的原理、定理、定律、核心物理量和循环性能等,可望形成热功转换循环规律的另一半.     

基于变截面单元体的火积耗散率最小导热构形优化

基于构形理论, 以火积耗散率最小为优化目标, 对变截面外形和变高导热通道的单元体进行了构形优化, 结果表明, 当增加控制体内部复杂程度时, 并不总能降低其平均传热温差, 而是存在最佳的构造级数, 使平均传热温差达到最小. 因为变截面高导热通道内的热流密度不符合线性分布, 所以基于火积耗散率最小的最优构形与基于最大温差最小的最优构形是不同的. 基于火积耗散率最小的最优构形相比基于最大温差最小的最优构形可以较大程度地降低平均传热温差, 明显地改善了传热性能. 由于火积更能反映对传热能力的要求, 因此基于此可对各种导热构形问题进行进一步的研究.     

广义力学系统的最小作用量原理

近半个世纪以来,广义力学的理论研究及其在物理学的场论和近代微分几何学中的应用方面,都取得了一系列重要成果。但有关广义力学的最小作用量原理,目前研究的还很少。本文分别给出用变量表示的非保守系统的两种最小作用量原理。1非保守系统的广义Lagrange最小作用量原理     

火积传递方程及其应用

火积是描述传热能力的物理量, 在热量传递过程中伴随火积的传递, 热量在传递过程中守恒,火积并不守恒, 因而火积必定有其独特的传递规律. 基于火积定义及其传递的思想, 导出了描述多组分黏性流动体系(包含热传递、对流、质量传递和化学反应过程)的火积传递方程, 它描述了该体系传热过程中火积的传递规律. 给出了火积流及其火积耗散的表达式, 并分析了其物理机制. 进而讨论了火积传递方程在稳态对流传热过程中优化传热的理论和方法, 从不同侧面应用稳态过程 传递方程得到了火积耗散极值原理和最小热阻原理, 给出了对单组分体系稳态对流传热和稳态导热过程应用的例证.     

电磁场中的广义最小作用量原理及其应用

物理现象的一般规律可以用最小作用量原理来描述,也就是说,真实规律对应着作用量的稳定点,例如光学中的Fennat定理和静电学中的Thomson定理。在电动力学中,当作用量处于稳定点时,系统满足Lagrange方程,这个作用量一般定义为Lagranse函数对时间的积分,即此时的最小作用量原理可以表述为:“事物真实运动的轨迹使作用量处于稳定点”。     

火积耗散数及其应用

基于描述物体热量传递能力的物理量—— , 定义了用于评价换热器整体性能的 耗散数. 发现在传热单元数和热容率比一定时, 耗散数越小, 换热器性能越好. 通过分析 耗散数随换热器有效度的变化规律, 发现 耗散数避免了熵产数导致的“熵产悖论”, 并可作为评价不同流动型式的换热器整体性能的标准, 因而和改进的熵产数相比, 具有明显优势. 同时 耗散数体现了换热过程中冷热流体不均衡引起的不可逆性.     

基于最大熵原理可靠性分析的病毒传播模型

应用基于最大熵原理的复杂系统可靠性分析方法对病毒在宿主、易感染者和移除者等共存系统中的传播问题进行了系统的动力学理论分析.在本研究中,我们将病毒传播问题中的病死速率、发病速率和治愈速率等实际统计参量映射成可靠性理论中描述个体行为的风险(退化)函数:个体宿主的病死速率和治愈速率对应于可修复系统的失效率和修复率;潜伏期阶段患者发病速率对应于可靠性理论中的失效率.通过最大熵原理,本文研究融合了病死时间、治愈周期和潜伏期等统计量的各阶矩信息,从而推断出最概然的病死速率、发病速率和治愈速率.最后,以包含易感、感染(确诊与潜伏期)和移除四类人群的传播模型(SEIR模型)为例,结合基于最大熵原理的退化函数推断,分析了新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019, COVID-19)传播的一些理论问题.     

熵产生率与马氏过程的不可逆性

在非平衡态统计物理中,熵产生率与不可逆性(非细致平衡)起了重要作用。文献[1,2]对简单情况(马氏链)证明了,一个平稳马氏链可逆的充要条件是熵产生率为零,进而说明熵产生率是刻划马氏链离可逆状态有多远的量。本文中,我们对一般随机过程给出熵产生率的概率定义,并导出它在马氏链、扩散等具体情况下的明显表达式。这些表达式恰与物理学家和化     

各类有限单元稳定的充要条件研究

引入了独立应力、应变和不协调位移参数的多变量有限元,在刚度阵计算中有可能出现多余零能模式(ZEM)而使单元不稳定.文献[1—6]对一些多变量有限元的稳定性或多余零能模式进行了讨论.本文利用广义单元刚度阵和分离函数思想,根据矩阵理论给出基于最小势能原理的(不协调)假设位移有限单元、基于广义驻值变分原理的假设应力有限单元和假设     

弹道扩散导热的热质模型

经典的傅里叶导热定律只适用于扩散导热.在瞬态导热过程中,为了描述热量的波动输运,基于热质理论建立了普适导热定律.对于微纳尺度的器件,由于弹道输运的作用,傅里叶导热定律也将失效.然而现有普适导热定律尚不能描述由弹道输运引起的非傅里叶导热现象.本文通过边界条件修正的方法将普适导热定律扩展到了弹道扩散导热区域.首先用热质理论的观点分析了弹道扩散导热机理;然后从声子玻尔兹曼方程出发推导了修正边界条件模型;最后数值求解了修正的普适导热定律并与蒙特卡罗模拟进行对比,验证了本文模型的正确性.     

(火积)耗散与热力学过程的不可逆性

分析了(火积)耗散与热量传递、功热转换、自由膨胀、等温物质扩散等热力学过程不可逆性之间的关系.研究表明,对于功热转换、自由膨胀和等温物质扩散3种不可逆过程,均存在熵产而不存在(火积)耗散,因此(火积)耗散不能反映这些过程的不可逆性.对于热量传递过程,熵产和耗散同时存在,表明(火积)耗散只能反映与热量传递过程相关的不可逆性.进一步,对内可逆热力学循环的不可逆性进行了分析.由于内可逆循环将所有的不可逆性归结为工质与热源之间传热过程的不可逆性,因此(火积)耗散能反映这一类循环的不可逆性.以内可逆卡诺循环为例进行了计算验证.     

STPV系统熵产及效率研究

根据热力学第二定律对太阳能热光伏系统进行建模分析, 研究并比较了系统各组成部件中的熵产大小, 同时讨论了各模块的转换效率. 分析了辐射器温度、聚光器会聚比、电池禁带宽度、电池温度及滤波器透射率等参数对熵产及效率的影响. 得出系统总熵产随着辐射器温度的升高呈现先减小后增大的趋势, 而随着聚光器会聚比的增加, 系统总熵产逐渐减小. 电池禁带宽度、化学势的增加使得系统各部件熵产减小, 电池温度的升高影响了其转换性能, 使得熵产增加的同时转化效率逐渐降低.     

最小热阻原理在组合式相变材料蓄热过程优化中的应用

最小热阻原理为近年来火积理论中所提出的传热过程优化的新方法.本文基于最小热阻原理对组合式相变材料蓄热过程进行了优化.通过变分原理,获得了组合式相变材料最佳融化温度的通用表达式.在此基础上,进一步研究了相变材料数对火积耗散热阻和蓄热性能的影响,探讨了最小热阻原理用于组合式相变材料蓄热过程优化的可行性.定义了组合效率,考察了传热单元数和热容流率对火积耗散热阻的影响.结果表明,组合效率随相变材料数的增加逐渐提高,火积耗散热阻随传热单元数和热容流率的增加逐渐降低其提高与降低的幅度均逐渐减弱,该研究为组合式相变材料的遴选以及流动和结构参数的设计提供了理论指导.此外,基于最小热阻原理的优化分析,提出了相变蓄热过程的温差场均匀性原则,为组合式相变材料的优化提供了一种新的优化标准.