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.     

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.     

温度场与温度梯度场的均匀化

基于模拟退火算法和仿生优化方法,分别以均匀化温度场和均匀化温度梯度场为目标,对二维导热问题进行了数值研究,优化了高导热材料的分布．研究结果表明：这2个优化目标之间存在一定的一致性,而仿生优化方法可以有效的节约计算时间;此外,对2个优化目标而言,高导热材料的填充量和导热系数比都存在阈值,高导热材料的填充量和导热系数比超过阈值后,其增加对均匀化温度场与均匀化温度梯度场的作用不再明显．     

基于煅耗散率最小的三维圆柱形单元体和微、纳米尺度下矩形、三角形单元体体-点导热构形优化

基于构形理论,以煨耗散率最小为优化目标,对环形高导热通道的三维圆柱形单元体和微、纳米尺度下矩形、三角形单元体“体一点”导热问题进行构形优化,得到无量纲当量热阻最小的“体一点”导热问题最优构形．结果表明：无量纲当量热阻最小和无量纲最大热阻最小目标下三维圆柱形构造体最优构形是不同的,这与对应的二维矩形构造体两种目标下最优构形比较结论不同,在微、纳米尺度下,存在尺寸效应影响时与无尺寸效应影响时的基于矩形和三角形单元体的构造体最优构形有明显区别;由于第二级构造体高导热材料通道中的热流不再服从线性分布,熄耗散率最小的和最大温差最小的第二级构造体最优构形是不同的．基于煅耗散率定义的当量热阻反映了构造体的平均散热性能,在三维条件和微、纳米尺度下研究熄耗散率最小的“体-点”导热构形问题进一步拓展了熄耗散极值原理的应用范围。     

确定复杂多孔材料有效导热系数的新方法

从Lattice-Boltzmann(LB)方程出发, 推导了二维LB 导热模型(D2Q5),计算了具有复杂结构的多孔材料的有效导热系数, 计算结果与其他文献中的实验结果符合较好. 分析了多孔材料有效导热系数与材料孔隙率、单位面积孔隙数、骨架形状等参数之间的关系并给出了估算公式. 给出的二维LB 导热模型能方便地计算各种小尺度上具有复杂边界或复合材料中的导热问题, 且二维模型能方便地扩充到三维.     

叶形四边形产热体■耗散率最小导热构形优化

将构形理论与■理论相结合,对已有文献建立的基于常见叶脉形仿生四边形的叶形四边形产热体进行了研究.导出了■耗散率最小时叶形四边形产热体的最优构形,研究了分支高导热材料划分的区间数n和分支高导热材料与中心高导热材料的夹角θ对叶形四边形产热体最优构形的影响,比较了叶形四边形产热体在■耗散率最小和最大温差最小下的构形差异.结果表明:叶形四边形产热体在■耗散率最小时的最优构形下平均传热温差最小;随着区间数(n≥20)的增加,叶形四边形产热体的最优长宽比和最小平均温差略微下降,因此增加产热体内高导热通道的复杂程度能降低平均传热温差;叶形四边形产热体以■耗散率和最大温差为优化目标的最优构形有区别,但都在分支高导热材料垂直于中心高导热材料时最佳,且■耗散率最小下的平均温差更小,因此以■耗散率最小为优化目标能更有效地降低产热体内的平均传热温差.     

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.     

传热对热布朗热泵性能的影响

本文建立了热布朗热泵的有限时间热力学模型.假设热源与黏性介质间服从牛顿传热规律,导出了供热率和供热系数的解析式.分析了传热对布朗热泵性能的影响,给出了布朗热泵的有效工作区域,并与宏观内可逆卡诺热泵的性能进行了比较.在总热导率一定的约束下,通过优化热导率分配得到了系统的最大供热率.结果显示新模型的供热率比非平衡热力学模型的供热率更小,且更接近实际.增强热源与黏性介质间的传热可以有效提升系统的性能.供热率关于热导率分配比存在极值,供热系数不受热导率的影响.当总热导率无穷大时,模型变为非平衡热力学模型.缩小热源间的温差可提高供热率,供热系数与热源温度无关.     

逆卡诺循环与逆p-V循环性能分析

热力逆循环是消耗机械功,并将热量从低温热源输送至高温热源的循环,其性能以性能系数表征.通常认为一定温限内逆卡诺循环具有最佳的性能,即它具有最大的性能系数.本文通过不同的分析方法及算例分析得到了一定温限内逆卡诺循环的COP并不是最大的结论.此外,类似于热力正循环中卡诺循环的构造方法,本文构造了一个新的逆循环,称为逆p-V循环.在相同温限的条件下,它的性能系数远远大于逆卡诺循环的性能系数.借助于此循环可以说明机械功也具有品位,其品位由功源的压力表征.     

封闭腔导热辐射与自然对流耦合换热的数值研究

对具有导热和表面辐射换热相互耦合的封闭腔内的自然对流进行了数值研究,计算采用层流模型,为SIMPLE算法,QUICK差分格式.计算结果表明,在自然对流的封闭腔内,辐射换热比对流换热更占主导地位.当具有固体层时,导热的效应使总的对流换热有所增长(曲线的初始部分),但当固体层的导热系数比超过一定值时(kr≥10),再增加固体的导热性能,对封闭腔内的流动和换热的影响就不明显了.从数值上证实了在实际的建筑环境中,只要外围护结构的厚度达到一定的数值就可以达到隔热保温的要求.再增加厚度并不会得到更好的效果.     

热波现象的热质理论研究

基于热质的概念建立了热量输运的守恒方程,并得到了考虑热质运动的空间和时间惯性的普适导热方程,该方程反映了一般条件下热的波动传递现象．当热流和温度的空间惯性以及温度的时间惯性可以忽略时,所得到的导热定律退化为CV模型,表明CV模型实质上仅考虑了热流对时间的惯性效应．对热波传递和叠加现象的数值分析表明：当热扰动较小时,热流对空间加速的惯性可以忽略,基于热质理论的热波方程和CV模型符合得较好;但是,在描述较大的热扰动时,由于热流对空间的加速惯性不能忽略,CV模型的求解结果会出现负温度的非物理现象,而基于热质理论的热波方程则克服了这一缺陷．     

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．     

“刚-柔”共融型仿生机器鱼

智能软材料以其高柔顺度、多功能、多物理场效应等优良行为得到了研究者们的关注.作为一类典型的智能软材料,介电高弹体(DE)具有电驱动大变形、快速响应、质轻价廉、生物亲和性好等优点,具有广阔的应用前景.该材料尤其适合作为人工肌肉应用到仿生机器人中,实现其结构柔软与大变形驱动.本文以蝠鲼为仿生原型,基于材料的电压驱动控制大变形机制,设计优化了一类介电高弹体薄膜面内驱动变形转化为扑动-波动混合型推进的驱动机构.将该机构用于胸鳍驱动的机器鱼系统,通过电子器件-刚性结构-柔性材料的融合集成,成功设计了一种材料与结构"刚-柔"共融型仿生机器鱼,并开展了相应的性能测试和功能集成."刚-柔"共融型仿生机器鱼通过分别独立控制两个胸鳍机构,可实现良好的机动性能;并利用高分子材料特性,可实现结构柔软与全透明化等优异的环境适应性能.该研究结果和机构设计原理将有望为"刚-柔"共融型机器人和仿生机器人的研究与应用提供参考.     

基于被子植物叶类器官的仿生伪装材料设计

对比了被子植物叶片和花瓣的显微组织结构和反射光谱,研究表明被子植物叶类器官具有相似的组织结构特征和近红外反射光谱．根据叶类器官的组织结构特征以及决定其反射光谱的物质组成,提出了基于被子植物叶类器官的仿生伪装材料模型,并进行了模型的原理验证性实验．实验结果表明,在300～2600nm光谱范围内,仅简化后的含水发泡材料与法国梧桐叶片的反射光谱的相似度就在96．9％以上．这种全新的伪装材料在紫外、可见光和近红外波段具有与植被叶片非常相似的光谱反射特征,其伪装效果可望有效对抗高光谱和超光谱成像侦察．     

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ANSYS的二次优化方法的实例探究

基于有限元分析技术的优化设计是一种全新的优化技术,其中的有限元分析技术能够满足用户对零部件满应力分布的需要,结构优化技术能够为零部件的设计提供更合理的设计尺寸,用ANSYS软件对模型进行参数化建模、静力学分析、并在此基础上进行多参数同时优化的传统的优化设计方法,可以得到符合工程应力要求的结构模型、合理的结构形式和优化尺寸,实现了结构轻量化的目标,但是却并不一定是最节省材料的优化方法,使其在达到要求性能的条件下,最大限度地减少材料,为了更高效的节省材料,可以采用二次优化方法来解决这个问题。本文通过一个石油机械中马达座的优化例子来说明二次优化方法的优越性,它能有效提高建模速度,提高模型质量,对工程技术人员来说意义十分重大,结果表明,运用ANSYS进行优化设计问题的求解,可以很大程度上减少设计成本,使产品设计更为科学合理。     

采用玻璃管蜂窝盖板的太阳能空气集热器的性能研究

设计制作了以薄壁玻璃管为蜂窝单元的透明蜂窝盖板，应用于平板型太阳能空气集热器。针对6种不同尺寸的蜂窝结构太阳能集热器进行试验研究，重点研究在小高宽比（L／D〈3）下，蜂窝的孔径、高宽比等因素对阳光透过率和集热效率的影响。试验结果显示：当蜂窝直径相同，高宽比不同时，集热器出口温度相差较大，高宽比小的温度高，最大温差约为10℃。当蜂窝直径不同，高宽比相同时，集热器出口温度相差不大。有蜂窝与无蜂窝，最大温差约为12℃。通过对玻璃管蜂窝单元的分析，推导出蜂窝结构透过率的理论关系式，发现光线在蜂窝内的透过率只取决于蜂窝的高宽比L／D以及材料的透光性质，而与具体的尺寸无关。从而从理论上说明了集热器效率与蜂窝高宽比的关系。     

嵌有离子选择性膜的微通道内增强电渗流及除盐效应分析

离子选择性纳米多孔膜材料在分子分离、海水淡化、生物分子富集、电池等诸多科学工程领域都有着非常重要的应用.本文通过数值仿真分析嵌有阳离子选择性膜的带电微通道内增强电渗流以及系统的除盐效应.结果表明,当浓度为1 mmol L~(-1)的KCl溶液在40 V cm~(-1)的外电场驱动下流过长60μm、宽10μm的微通道时,如果在通道中心离子选择膜性上加25 mV的跨膜电压,除盐效率约为29%;而当跨膜电压为250 mV时,除盐效率则高达89%.流体运动方面,在低跨膜电压下,通道内流体运动由传统电渗流主导,压力流主要用于平衡通道上游与下游电渗流速度的差别.然而在高跨膜电压下,膜表面附近生成很强的非线性涡流,进而形成泵效应;通道内流体运动则是压力流为主导,通道上下游均呈现带滑移边界的压力流特征.对照等参数的无膜通道,嵌膜系统在跨膜电压为400 mV时可以实现15倍以上的流速.本文所揭示物理机制可为新型微泵以及海水淡化装置的设计及优化提供重要的指导.     

能够实现芯区均匀场的几种三层平板波层结构

通过对非线性包层三层平板波导典型实例的理论研究和数值计算，发现存在5种波导结构，当光功率合适时，芯区场能够实现均匀分布，此时包层分布呈指标衰减，分别给出5种结构的场分布曲线。波导芯中存在均匀场分布，对于波导、光电子及光子器件具有潜在的应用前景。