换热器优化中均分原则的适用性分析

在许多物理过程的优化设计中,其优化结果反映为某些物理量或者函数的均匀分布,即相应的均分原则.针对两股流和三股流换热器的优化分析,讨论了热力学力场均匀性原则、ΔT/T场均匀性原则和温差场均匀性原则三项均分原则的适用性.研究表明,当换热量给定时,前两项原则既不能给出最小的换热器熵产率,又不能给出最高的换热器效能;而当换热器实现最佳传热性能时,前两项原则得不到满足.对于温差场均匀性原则,不论冷热流体间的传热系数是否为常数,均可基于理论对其进行数学证明.当冷热流体温差场完全均匀时,换热器的耗散热阻达到最小值.可见,温差场均匀性原则可以给出换热器的最佳传热性能.进一步,本文给出了简单的案例,直观地验证了上述结论.理论与案例分析的结果进一步表明,热力学力场均匀性原则和ΔT/T场均匀性原则都是基于熵产的概念得到的,而熵产从做功能力损失的角度衡量不可逆性,导致这两项原则与传热优化的目的不一致,而且其推导过程中所采用的传热定律也不符合实际的传热过程;而用于证明温差场均匀性原则的(火积)耗散则从传热能力损失的角度衡量传热过程的不可逆性,其优化目标与传热优化目标则是一致的.这就是前两项原则不适用于换热器优化分析而温差场均匀性原则适用的根本原因.     

基于(火积)耗散理论的新翼型换热器优化方法研究

基于(火积)的分布匹配以协同强化的思路对新翼型换热器进行结构优化,提出两种不均匀的翅片分布结构,在给定热流边界条件下以超临界CO_2为工质,对多种翼形肋分布结构进行传热流动性能的数值研究.结果表明,针对超临界流体物性剧烈变化导致的换热参数分布极不均匀的特点,在总换热面积不变的条件下通过相应改变新翼型肋片分布方式,改善了流体(火积)与壁面热流(火积)的分布匹配性,进而改善了流道内局部(火积)耗散率的分布均匀性,使流道内总(火积)耗散率减小,换热性能提高.比拟两流体耦合换热过程中变热流边界条件下的数值研究表明,在换热器两流体耦合换热中依据换热参数分布特性相应改变新翼型肋的分布方式,在总换热面积不变的条件下同样改善冷热流体(火积)的分布匹配性,进而使局部(火积)耗散率沿换热区域分布更为均匀,减小总的(火积)耗散率.(火积)的分布匹配原则为换热器结构优化和改进提供了新的思路和方法,具有重要的理论和工程意义.     

基于非线性温-焓对应关系的非共沸制冷剂评价

为了评价空调工况下非共沸制冷剂的循环特性, 揭示非共沸制冷剂在冷凝器和蒸发器中与换热流体间传热温差的沿程分布规律, 在制冷剂相变过程中非线性温-焓对应关系的基础上展开了相应的理论研究. 首先, 建立了制冷剂的冷凝和蒸发换热模型, 并根据标准空调工况确定了制冷剂相变时的状态参数. 然后, 利用制冷剂状态方程得到了15种非共沸制冷剂相变过程中温度与焓值的对应关系, 在一定假设的基础上计算出制冷剂和换热流体在相变过程中的传热温差. 通过归纳换热器沿程各位置的温差变化, 得到了它们的分布规律. 最后, 在对比了不同制冷剂由于传热温差的变化而引起的附加可用能损失后, 给出了这15种制冷剂的性能评价.     

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.     

换热器设计中的炽耗散均匀性原则

本文建立了烘耗散均匀分布原则（EoED）：在给定热负荷和换热面积条件下，当局部煅耗散率在换热器中均匀分布时，总的煳耗散率取得最小值．并且证明了当传热系数不固定时，煅耗散均匀分布所得出的总煳耗散率小于温差均匀分布所得出的总煅耗散率，而有效度大于温差均匀分布的结果．如果假设换热系数固定，则煅耗散均匀分布等价于冷热流体的温差均匀分布．发现用熵产均匀分布原则和愀耗散均匀分布原则对换热器进行优化得出的熵产和煅耗散不相同．本文从理论上分析了熵产最小法与煅耗散最小法的适用范围：前者用于换热器的优化是基于使做功能力损失最小，而后者没有涉及到做功过程．并举例验证了熵产最小法与烛耗散最小法的区别，计算结果表明熵产数不适用于不同换热器间性能的比较，因为它直接依赖于流体的出入口温度；而煅耗散数不直接依赖于流体的出入口温度，因此，更适合作为不同换热器之间性能比较的标准．     

多介质板式换热器试验研究与分析

对一种基于Alpha magnetic spectrometer（AMS）热系统研究与设计自主开发的能够实现多介质换热的新型板式换热器进行了试验研究与分析.该种新型换热器的换热板片由凸球面和凹球面构成不连续波纹,其换热性能优于BR1型人字形板式换热器,阻力特性明显优于目前常用的60°人字形板式换热器.本文分析了球面波纹强化传热的机理,认为球面波纹能够减小局部场协同角,提高了板间流场与温度场的协同程度.     

强化单相对流换热的一般理论指导原则

分析了强化单相对流换热的主要方法, 阐述了强化换热与能量损耗之间矛盾的统一性, 建立了换热(或火用)效率与换热过程动力及其与过程能耗的热力学关系, 导出了强化对流换热的一般理论指导原则——相对温度梯度场分布和速度场与温度梯度场的协同关系式. 温度梯度场分布与速度场分布相互制约, 当二者协调并满足该原则时, 则强化对流换热达到最优的换热效率.若温度梯度场与流速场协同程度确定, 则要求温度梯度场分布相对均匀性, 反之, 若相对温度梯度场的分布确定, 则确定了温度梯度场与流速场协同程度. 该原则也给出了相对温度梯度分布与流速、比热及其导热系数的依赖关系. 这一理论原则可为对流换热强化及其优化设计提供一般理论指导.     

以[火积]耗散最小为目标的电磁体多学科构形优化

利用[火积]耗散概念,推导出线圈（电磁体）在加入高导热材料情况下平均传热温差表达式,为应用煨耗散极值原理优化奠定了理论基础．在此基础上,针对电磁体稳态工作（磁场强度为定值,电磁体内各点均匀产热,发热量为定值）的情况,分别在无体积约束、给定体积约束两种不同条件下,以[火积]耗散最小（也即平均传热温差最小）为目标对电磁体进行了构形优化．另外,分析了高导热材料对磁场的影响,并研究了平均传热温差最小值随体积、磁场强度的变化规律．     

超临界流体状态下合成陶瓷先驱体聚碳硅烷

以二甲苯为超临界流体介质,以聚二甲基硅烷为原料,在高压釜中一定温度和压力下,合成了分子量分布较窄的陶瓷先驱体聚碳硅烷,对软化点,FT-IR,GPC,元素分析和合成收率等进行了表征,并与常压高温和高压合成方法相比较.合成聚碳硅烷的软化点为180～220℃,收率高达63.5wt%,比其他两种方法提高了20wt%,其Mn^-=1477,分子量分布系数为1.61,硅氢键含量较高,化学式为SiC1.91H7.27O0.05.表明超临界流体方法具有很好的传热均匀性和反应均匀性,且合成时间短,合成效率高,是合成高品质聚碳硅烷的一种新方法.     

槽式太阳能集热管传热损失性能的数值研究

通过分析槽式太阳能集热管热损失的计算方法和传热过程, 建立了槽式太阳能集热管传热损失性能计算分析的二维稳态经验模型, 模型的计算结果与试验数据基本一致, 验证了模型的有效性. 利用该二维稳态经验模型系统地研究了环境风速、温差、选择性涂层和环形空间气体压力对两种商业化槽式太阳能集热管传热损失性能的影响, 并进行了对比分析. 结果表明: 选择性涂层的性能和环形空间气体压力是影响集热管热损失的两个主要因素, 也是保持集热管热性能的关键; 环境风速对集热管热损失影响相对较小, 而工作温差对集热管热损失的影响较大; 新一代集热管在热性能上有了很大提高.     

基于增强协同与减少耗散的对流传热强化理论研究

对流传热具有守恒、协同和耗散三大特性,揭示其内在联系与基本规律对发展对流传热强化理论意义重大.本文基于能量和动量传输的本构和守恒关系,全面审视对流传热的多场协同与不可逆耗散机制,分析流体传热、耗功及惯性协同角之间的相互关系,提出反映对流传热不可逆耗散的热效率和?效率,探索基于增强协同与减少耗散的对流传热强化理论.基于此,提出一种V型复合肋槽强化传热管并进行湍流换热计算模拟.研究发现:与光滑圆管相比,在管壁形成V型复合肋槽可减小强化管的传热和惯性平均协同角,热效率和?效率分别超过92%和34%,性能和效能评价系数分别为1.22～1.69和0.53～1.07.     

能够实现芯区均匀场的几种三层平板波导结构

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，此时包层场分布呈指数衰减. 分别给出5种结构的场分布曲线. 波导芯区中存在均匀场分布，对于波导、光电子及光子器件具有潜在的应用前景.     

膜换湿过程吸附热对传热过程的影响分析

对膜换湿过程中吸附热对传热过程的影响进行了理论研究，建立了考虑吸附热的传热过程的数学物理模型．通过分析得到了一个控制吸附热对膜过程中传热影响的无量纲数ψ=JLλ／δ（T10-T20），并分析了ψ对换热过程的影响．结果表明：温度梯度与传质方向相同时，有效热流方向会在ψ=1时发生变化．ψ〈1时，热量将由高温侧向低温侧传递，此时传质通量越大或两侧温差越小，总热阻就越大；而ψ〉1时，热质传递的综合效果是有效热流由低温侧向高温侧传递，此时传质通量越大或两侧温差越小，总热阻就越小．而传热方向与传质方向相反时，吸附热的存在会强化热量由高温侧向低温侧的传递，使得总热阻减小．传质通量J越大或温差越小，总热阻也就越小．     

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。     

管壳式换热器纵流管束内的扰流机制与传热强化研究

分析了折流杆换热器管束内的扰流机制,在此基础上,根据核心流传热强化原理,设计了一种新型的折流杆-扰流叶片组合式换热器,建立了相应的物理和数学模型,并对其传热与流动特性进行了计算模拟．结果表明,该新型换热器壳程的对流换热系数与折流杆换热器相当,但流动阻力远小于折流杆换热器,综合性能优于折流杆换热器,而且Re数越高,优势越明显．     

计算力学中的高精度数值分析新方法--复合单元法

提出一种用于获取工程结构静动力学特性的高精度数值分析新方法－－复合单元法，在对结构进行离散后，定义两组自由度坐标体系来描述离攻的位移场，基于节点坐标体系，应用常规插值多项式构造出位移场ＵＦＥＭ（ε），基于场坐标体系，应用经典力学解析解构造出位移场函数ＵＣＴ（ε），然后将其复合而形成复合位移场Ｕ（ε）和复合形状函数，并据此计算复合单元的刚度及质量矩阵，最后进行静动力分析，可较大提高了计算力学中数值分     

环形旋转冲击射流热流特性的实验研究

实验研究了由导向叶片引起的环形旋转冲击射流的流动与传热特性,并与传统环形冲击射流进行了比较.采用粒子图像测速法观察了不同冲击距离下两种射流的出口流动结构;测量并对比了两种射流在均匀加热冲击靶板上的局部压力及传热分布.对于环形冲击射流,所测得的流动结构、壁面压力及传热分布与公开数据一致;在足够大的冲击距离下,该射流显示出类似于单个圆管冲击射流的特征.对于环形旋转冲击射流,在中小冲击距离下,局部压力和传热系数在冲击靶板上的分布与传统环形冲击射流相比更不均匀,但总体传热性能更好,这是由于漩涡在导向叶片下游脱落、对流所致;在较大的冲击距离下,环形旋转射流未显示出类似于单个圆管冲击射流的特征,且由于高动量耗损,其传热性能低于传统环形射流.     

螺旋折流板波槽管换热器换热性能实验研究

以水为工质,对弓形折流板光管换热器、螺旋折流板波槽管换热器以及螺旋折流板光管换热器进行了传热实验。结果表明,螺旋折流板波槽管换热器具有良好的换热能力,螺旋角对螺旋折流板换热器壳程换热影响较大。与折流板数量为14个和5个的弓形折流板光管换热器相比,螺旋角为9.8°的螺旋折流板光管换热器的壳程换热系数分别提高了4%~60%和5%~70%;螺旋角均为9.8°的螺旋折流板波槽管换热器与螺旋折流板光管换热器相比,前者的壳程换热系数和管程换热系数分别提高了2%~26%和60%~120%;与螺旋角为9.8°的波槽管换热器相比,螺旋角为6°和8°的波槽管换热器的壳程换热系数分别提高13%~48%和5%~37%。     

晶硅电池温变过程中的输出参数及温度场特性

利用有限差分法,分析了环境温度从250 K变化到500 K,且电池前后表面存在两种温差时,晶硅电池输出参数的温度特性及电池内部温度场的分布情况.研究表明:当电池前后表面温度相同,且温度逐渐增加时,短路电流基本不变,开路电压以0.02 V/K的速率线性减小,电池效率以0.07%/K的速率线性降低,温度场分布不均匀现象主要集中在接近电池前后表面的区域,最大温度梯度达?0.0002 K/?m;当电池前后表面存在1.5 K温差,且温度逐渐增加时,电池各输出参数均出现不同程度的改善,特别是开路电压相对无温差时可增加0.25%~1.2%,电池效率相对无温差时可增加0.4%~1.5%,温度场分布出现明显偏离由前后表面温差决定的温度梯度(0.0075K/?m)的现象.     

汽车空调系统双蒸发器总成流场的CFD研究

通过对前置、顶置蒸发器总成内空气速度场、压力场的CFD分析,发现前置蒸发器总成中空气在蒸发器入口段产生了较大的气流涡旋,影响了流场的均匀性,另外在顶置蒸发器总成中也存在出风流场不均匀。针对上述问题,对局部结构进行了改进,在前置蒸发器总成进口风道加装导流板,调整了顸置蒸发器出风口开口角度。计算结果表明,结构优化后的流场更加均匀,从而提高了空调系统的性能。