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.     

质量积耗散极值原理及其在空间站通风排污过程优化中的应用

基于质量传递与热量传递现象之间的类比性, 引入了质量积的概念来代表物体向外界传递质量的能力, 定义了质量积耗散函数, 说明了质量积耗散是传质过程不可逆性的量度, 提出了质量积耗散极值原理和优化对流传质过程的优化方法, 在一定约束条件下导出了对流传质性能最佳时流体流动所需满足的欧拉方程. 在此基础上, 对空间站实验舱内通风排除气体污染物的过程进行了优化来达到减少通风系统能耗, 降低实验舱内污染物浓度的效果. 结果表明: 利用质量积耗散极值原理, 获得了通风排污性能最佳的速度分布. 以该最优速度分布为指导, 采用集中送风代替均匀送风, 获得了进风口的最佳位置和宽度, 可以在空气流动黏性耗散降低了30%的基础上, 密封舱内平均污染物浓度和最大污染物浓度分别降低了75%和60%, 污染源附近的污染物浓度下降50%.     

不可逆输运过程的最小作用量原理

最小作用量原理最早应用于光学和力学等可逆的物理过程,其后人们基于熵产发展了不同表述的最小作用量原理来处理不可逆输运过程,昂萨格最小能量耗散原理就是其中的代表.然而,基于熵产的最小作用量原理并不一定对应符合实际情况的本构关系(例如不能导出傅里叶导热定律).本文通过分析表明,导热过程的最小作用量不是熵产率而是(与热质能成正比)耗散率.我们对质量和动量不可逆输运过程的最小作用量原理进行了探讨,发现不可逆定态线性输运过程的作用量应该由真实力与流的点积得到的耗散率与瑞利函数进行构造,它们都可以看作某种能量的耗散率.此外,还发现了符合实际本构关系的不可逆线性输运过程的李雅普诺夫函数并不是熵产率,不可逆输运过程的作用量和李雅普诺夫函数应该是统一的,即都是某种能量的耗散率.分析还表明,对于瞬态不可逆输运过程,定态条件下的作用量与能量守恒方程的结合并不能导出相应的控制方程;需要使用卷积积分构建的准作用量才能导出瞬态控制方程.     

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.     

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.     

(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.     

换热器参数优化中的熵产极值和火积耗散极值

以“仅以传递热量为目的”和“参与不可逆布雷顿循环”的逆流换热器为例, 比较了熵产极值准则和火积 耗散极值准则在换热器参数优化问题中的适用性. 对参与热功转换的换热器, 换热器的热力学优化准则取为熵产极值较好; 对只参与热量传递的换热器, 换热器参数优化准则取为火积 耗散极值更合适. 对流体温度变化不剧烈的换热器, 两种优化准则趋于一致.     

(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.     

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.     

换热器火积散最小优化

对一类高低温两侧流体之间传热服从牛顿定律[q∝Δ(T)]的两股流换热器进行了研究, 在传热量一定的条件下, 以 耗散最小为优化目标, 利用最优控制理论求出了换热器参数的最优分布, 得出了对应于换热过程 耗散最小时的热流密度为常数的结论. 分析比较了逆流、顺流、凝结流三种形式的换热器, 结果表明采用逆流式换热器可实现换热过程耗散最小. 给出了数值算例, 并与以熵产生最小为目标的优化结果进行了比较.     

对流换热过程的广义热阻及其与(火积)耗散的关系

为了更加直观地分析与优化对流换热过程, 引入了多维传热系统的热流加权平均温度和热流加权平均温差的概念, 并定义热流加权平均温差与总热流的比值为传热过程的广义热阻, 提出了优化对流换热过程的最小热阻原理, 分析了对流换热过程的广义热阻与火积耗散之间的关系, 得出了最小热阻原理等价于火积耗散极值原理的结论. 以恒壁温条件下的二维方腔内对流换热过程为例, 研究了该过程的广义热阻, 讨论了最小热阻原理在对流换热过程分析与优化中的适用性.     

流体流动场协同原理及其在减阻中的应用

为了分析流体流动过程, 降低流动阻力, 提出了流动速度与速度梯度在整个流动区域内协同的概念, 认为流体在流动过程中所受的阻力不仅受流动速度和速度梯度的影响, 同时也取决于它们之间的协同程度. 在此基础上, 提出了流体流动过程中的最小机械能耗散原理, 认为在整个流动区域内, 流动速度与速度梯度的协同程度越低, 流体流动过程中的黏性耗散越小, 流体阻力也越小. 同时, 根据最小机械能耗散原理, 在一定约束条件下对黏性耗散函数求极值, 获得了流体流动场协同方程, 求解场协同方程获得了最佳流场, 使流体在流动过程中的黏性耗散取最小值, 流动阻力最低. 最后, 以并联管路的流量分配为例, 根据最小机械能耗散原理对速度分配器进行了优化设计, 降低流体在并联管路中的流动阻力.     

热质传递过程的场协同原理

热量和质量同时传递的过程在自然界和工程实践中广泛存在, 如何提高热质传递效率有重要的实际意义. 本文从同时进行热质传递的能量方程出发, 推导了对流传热传质的场协同方程. 结果表明, 有质量传递的总传热量(包括通过换热面的导热量和换热面质量扩散传递的热量)取决于流体流速和流体焓值梯度的大小以及流速与焓值梯度场协同角α的大小. 减小协同角α, 就可以增强热质交换, 也就是说, 速度场和焓值梯度场的协同性越高, 总换热量越大. 并由热质传递的场协同方程发展了一些可以提高热质传递效率、解决工程实际问题的方法.     

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.     

对流和辐射边界条件下轧钢加热炉壁绝热层(火积)构形优化

基于绝热过程(火积)耗散极值原理,以耗散率最小为优化目标,在对流传热和辐射传热边界条件下,对轧钢加热炉壁平板绝热层进行构形优化,得到平板绝热层的最优构形.结果表明:对流传热边界条件时,(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与热损失率最小的绝热层最优构形是明显不同的.(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与热损失率最小的绝热层最优构形相比,(火积)耗散率降低了5.98%,从而使得其整体绝热性能得到提高.对流与辐射复合传热边界条件时,绝热层厚度线性增大的布置方式与等厚度绝热层和厚度线性减小的布置方式相比,绝热层(火积)耗散率分别降低了16.59%和39.72%,从而使得绝热层整体绝热性能大大提高.存在最佳常系数a2,opt使得绝热层无量纲(火积)耗散率取得最小值.绝热层最小无量纲(火积)耗散率和最大温度梯度最小值对应的最佳常系数a2,opt相差不大,这使得(火积)耗散率最小的绝热层最优构形对应的热应力也较小,从而在提高绝热层整体绝热性能的同时也有助于提高其热安全性.本文所得结果能从传热优化角度为绝热层的优化设计提供参考.     

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...     

Li_2MgN_2H_2的电子结构、成键特性及贮氢热力学

采用第一性原理中交换关联势为RPBE函数的计算方法研究了Li2MgN2H2的能量最低晶体结构构型.在此基础上,采用交换关联势为PW91函数和PBE函数的计算方法对该构型的精细结构进行了计算和分析比较,并进一步应用PW91函数计算了Li2MgN2H2的电子态密度、电子云空间分布、差分电荷密度分布和贮氢热力学反应焓.结合上述计算结果,分别对Li2MgN2H2化合物的电子结构和成键特性进行了分析讨论,并进一步分析了该材料的贮氢热力学性能.     

从热质能到暗能量——暗能量起源的再探索

暗能量构成了我们已知宇宙物质的68%,被成功用于解释目前标准宇宙模型中的宇宙加速膨胀现象.但是,学界对于暗能量的起源这一基本问题尚存在较大分歧,成为宇宙学中最重要的难题之一.本文试图从热质理论出发,基于能量守恒原理探索暗能量的起源.热质理论是近年来传热学中发展的新理论,其中包括热质、热质速度和热质能等新物理量.热质是热量的相对论性质量,热质能是相对论性能量.在地球上的温度和压力条件下,热质和热质能的量级远远小于物体的静质和静质能,但在宇宙大爆炸后的初期,温度可以达到1015°C以上,此时热质能可以与静质能相当,甚至更大.高品位的能量形式,如电能、光能、机械能等在传递过程中会耗散为低品位的热能,因此在热量(热质)的传递过程中,热量(热质)的总量是守恒的,但是热质能会耗散为一种更低品位的,"不可见"的能量.该能量具有四个特点:可以充盈整个空间,具有极低的能量密度,负压力,随着时间逐渐增加.这些特性与暗能量的性质吻合,因此可以猜测暗能量来自于热质能的耗散,它是宇宙加速膨胀的动力来源并构成了目前宇宙的主体.     

关于b■函数的一个问题

达布(Darboux)函数是指具有“介值性”的函数.Bruckner系统论述达布函数的专著问世后,80年代以来,国际数学界对该类函数的研究一直保持着兴趣.我们获得的一个新结果是,有界、达布、不可测函数类的势为2~c,c是连续统势(《数学进展》即将刊出).自然要问,有界、达布、可测函数类(简称b)的势是什么?本文将回答,它仍为2~c.类似于Ceder和Pearson在文献[2]结尾的一个提问形式,可问是否存在f∈b,使R=(-∞,+∞)成为f在每一点处的左、右导出数集?我们的回答是肯定的,且这类函数,其势仍为2~c.这是上一问题的深入.