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.     

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。     

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。     

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.     

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.     

基于热流与强度复合目标的立式绝热壁构形优化

针对立式绝热壁,引入了热流与强度的幂权积函数作为兼顾隔热性能和机械性能的复合优化目标,在给定外形尺寸和安全性要求的全局约束下,以该复合函数最大化为目标进行了构形优化．研究表明通过允许绝热壁内部结构自由变化（进化）,能够获得一定环境条件下的最大目标值及对应的最佳内部结构设计;结果验证了热流与强度复合目标函数的合理性、有效性和适用性,且幂权参数取值在0．4与4之间能更好地兼顾隔热和强度要求．详细讨论了热流与强度并重时的构形优化及结果,给出了不同使用环境下的最优结构设计及性能分析;当使用环境的变化较大且总Rayleigh数较高时,宜采用空腔较多的绝热壁;当总Rayleigh数较小时,合理选用空腔较少的绝热壁,能获得更好的性能．复合目标具有良好的自适应性,最近文献结果是本文研究的特例．     

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．     

科学家研制出导电不导热的晶体材料

通常情况下 ,一种晶体的导电性能与其导热性能是密切“同步”的 ,即两种特性要么都好要么都差 ,但比利时科学家研制出的新晶体却能做到导电性能良好 ,导热性能较差。德国《科学画报》杂志网络版报道说 ,比利时列日大学的拉斐尔·赫尔曼等研制出的晶体 ,是由钴、锑两种金属构成的极其微小的“笼子”结构搭建成框架 ,每个小“笼子”中间由单个铊原子填充 ,微小的“笼子”之间联结非常松散。一种晶体材料的导热性 ,来自于原子整齐划一的振动。而新型晶体的微小“笼子”结构 ,使得整个材料在受热时 ,铊原子只能各自在可能的方向随机来回振动 ,而…     

基于Floquet模态的平动点航天器编队构形设计与控制一体化方法

基于Floquet理论研究三体平动点周期轨道航天器编队的构形设计与控制方法.首先,介绍平动点周期轨道的Floquet理论,对Floquet模态进行仿真分析,利用Floquet模态可以线性表达相对于平动点周期轨道的运动偏差,并推导出了其模态系数的时间函数表达式,对于Z振幅较小的halo轨道,证明了周期模态的系数接近常值;在此基础上,应用Floquet模态对平动点轨道航天器编队构形进行设计,利用周期模态3,5或模态4,6的组合得到了多类特殊的规则构形;最后,提出了同时控制5个Floquet模态的相对运动轨道控制方法,仿真表明：该方法有效,并具有精度高、频度低、燃耗省等优势.本文形成了一种基于Floquet模态理论的平动点轨道航天器编队构形设计与控制的一体化方法,并基于该方法得到了几类特殊的规则构形,这对于深空探测任务轨道设计有重要的参考价值.     

非稳态导热基于温度梯度的本征正交分解降维方法

利用本征正交分解(POD)方法处理温度场是实现非线性热流过程降维的有效途径.目前大部分POD算法研究,是从温度场构成的瞬态图像中提取POD基函数,结合Galerkin投影法建立低阶模型;或者对数值计算方法采用的方程组进行POD分解或SVD分解,以建立低自由度的方程组,达到降维的目的.与传统的POD方法不同,本文以优化POD解的梯度为目标,从温度场的梯度中提取出最优正交基.结合Galerkin投影法,建立了二维、常物性、非稳态导热微分方程的POD-Galerkin降维模型,研究了各个边界条件下导热微分方程的降维算法的精度.结果表明POD解保持0.1%以下的相对偏差,而平均求解时间从原来的1.64 s降低到0.02 s.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

基于铝诱导结晶的多晶硅薄膜材料结构优化

基于铝诱导结晶化（AIC）方法,研究了不同溅射材料结构对多晶硅薄膜形成过程和材料特性的影响.首先利用射频溅射Si和直流溅射Al的方法,分别在普通玻璃衬底上沉积Si/Al/Glass,Al/Si/Glass,Si/Al/L/Si/Al/Glass三种不同结构的薄膜材料.采用相同的低温退火（500℃）工艺,对上述薄膜进行了多组时间下的退火Al诱导结晶处理.对退火处理后的样品去除表面多余Al之后进行了X射线衍射、电子显微镜表面观察和霍耳迁移率测试,分析其晶体质量特性和电学特性.结果表明,在足够长时间下,3种结构均可成功实现AIC多晶硅薄膜,其中采用多重周期性结构的薄膜结晶速度最快,并得到更优的结晶效果.