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．     

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(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.     

船海用蒸汽动力装置构形优化理论研究进展

本文从船舶蒸汽动力装置和海洋热能转换装置两个方面介绍了船海用蒸汽动力装置构形优化理论研究进展.首先回顾了包括蒸发器、过热器、经济器、锅炉整体和冷凝器在内的船舶蒸汽动力装置主要换热部件模型和包括蒸发器、冷凝器、双压透平和整体系统在内的海洋热能转换装置主要换热和能量转换部件和系统模型,然后介绍了基于熵产生最小化理论、有限时间热力学理论、理论和构形理论等现代热学理论的两种装置主要部件的构形优化和海洋热能转换系统的构形热力学优化工作,重点比较了优化前后、不同优化目标和不同系统结构下优化结果的异同.最后,对构形热力学优化应用于一般动力系统能量传递和转换过程优化设计和节能降耗的理论研究做出了展望.     

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.     

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．     

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.     

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．     

（火积）耗散极值原理在辐射换热优化中的应用

类比于导热和对流换热过程中（火积）的定义,在辐射换热中引入（火积）流和耗散的概念,由于辐射换热是不可逆过程,故在该过程中将部分被耗散.提出了辐射换热优化的（火积）耗散极值原理：对于具有一定约束条件的辐射换热过程,在给定温度边界条件的情况下,（火积）耗散最大时辐射换热过程最优（热流最大）;在给定热流边界条件的情况下,耗散最小时辐射换热过程最优（温差最小）.最后针对具体算例说明了该原理在辐射换热中的应用     

液-固相变过程(火积)耗散最小化

对一类简单一维平板液-固相变过程进行了研究,在过程总时间一定的条件下,以过程的(火积)耗散最小为优化目标,应用最优控制理论导出了外界热源温度随时间变化的最优规律,得出了对应于相变过程耗散最小最优换热策略下的(火积)耗散为恒温换热策略下的(火积)耗散的8/9,且与系统其它参数无关的结论.给出了数值算例,并与传统的恒温换热策略和熵产生最小最优换热策略进行了比较.本文研究结果对实际液-固相变过程最优换热策略的选取具有一定的理论指导作用.     

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(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.     

(火积)方法在低品位工业余热利用的换热网络优化中的应用研究

低品位工业余热的有效利用对提高能源利用效率、减少CO_2排放具有重要意义,能量系统集成和相应的换热网络优化是余热利用的有效方法.(火积)方法可以量化换热过程中的不可逆性,能够指导和评价换热网络的优化,但是(火积)方法在余热利用的换热网络优化中的实际应用案例较为缺乏.本文基于(火积)方法对某工业园区蒸汽凝水余热利用的既有换热网络进行了分析,通过减小换热过程(火积)耗散的原理进行了换热网络优化,使得高品位余热用于驱动吸收式制冷机满足当地的空调制冷需求,将高品位余热排放转换为低品位余热排放.优化的换热网络指导了实际蒸汽凝水余热利用工程改造.实验测试结果表明,采用的海水直接冷却的吸收式制冷机的制冷量达到3430 kW, COP达到0.76.蒸汽凝水换热过程的(火积)耗散降低了57.3%,蒸汽凝水余热利用的热效率和?效率分别提升了55.8%和81.1%,验证了(火积)方法在低品位余热利用换热网络优化中应用的有效性.     

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)理论的火力发电节能优化研究

提高能源利用效能,是控制化石能源总量,进而实现2030年碳达峰、2060年碳中和目标的必要途径.接近我国总装机容量50%的火力发电机组全工况节能降耗在用能能效提升中具有关键作用.新物理量"(火积)"的引入贯通了系统能效与关键设备内部各物理量场、传热传质表面结构参数、运行方式之间的关联,为火力发电系统的全工况节能降耗提供了新视角.本文梳理了(火积)耗散分析方法在火力发电热力系统节能中的应用成果,重点阐述了基于热量(火积)耗散、动量(火积)耗散以及质量(火积)耗散的锅炉尾部烟道及火电机组冷端换热网络的优化方法;并对有待深入解决的问题和未来的研究方向进行展望,分析各关键子系统的节能潜力和优化目标,以期为进一步提升能源转型时期火电机组的节能运行水平提供参考.     

T形肋（火积）耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较研究

针对T形肋片,分别以基于（火积）耗散的当量热阻最小化和最大热阻最小化为目标,采用二维传热模型和有限元数值计算方法进行了构形优化,分析了全局参数a（综合了对流换热系数、肋片占据的总面积及其热导率）和肋片占比ф对当量热阻最小值和最大热阻最小值及其对应最优结构的影响,比较了两个目标下优化结果的异同.研究表明,两种优化目标下的最佳构形差异较大.以当量热阻最小为目标的优化比以最大热阻最小为目标的优化,能够显著降低肋片体内的传热平均温差.增大a和增大ф均可同时改善局部热点工作状况和整体平均传热性能.但是,增大a和增大ф对当量热阻最小和最大热阻最小两个目标的改善程度不一样;并且对任意一个目标,a和ф分别产生的影响也是不一样的.总体上,对应当量热阻最小值的T形肋比对应最大热阻最小值的T形肋要高得多;两种优化目标下,主干比分支的部分均要厚,但当量热阻最小化时两部分肋厚相对接近些;主干扁平、分支细长的T形肋有利于降低最大热阻.     

基于(火积)耗散原理的表面传热系数定义基础讨论

表面热传递过程是工业流程与工艺中经常遇到的现象,对表面热传递研究有利于工业过程的优化与效率提高.对表面热传递现象性能参数科学意义探讨的最终目的是为技术发展服务.本文以恒热流平行通道表面热流密度不同影响对流换热特性的数值模拟为模型,基于(火积)耗散概念及广义热阻原理,分析了相同流动状态时表面传热系数随流动发展的特征,结果表明只有在特殊情况下表面传热系数定义式与广义式实现相等,大多数情况下两种计算方法的结果明显不同.其原因是定义式的温差定义形式未能准确使用热流管上的温度导致,这一差异表明热量输运环节包含对流换热时,其热阻串联公式只是近似一维热量传递时的应用.由于在充分发展段内的(火积)耗散维持不变,恒热流条件下通过耗散形式求得的广义式是准确的热流管内表面传热系数值.而未充分发展段(火积)耗散亦在变化,广义式与定义式均未准确表达出热流管内的热量传输性能,未充分发展段上表面传热热阻性能的计算方法仍待发展.     

非等温、非灰体不透明漫射固体表面组成的封闭空腔中的辐射（火积）流及其应用

对于不透明漫射固体表面组成的稳态封闭空腔表面辐射传热系统,分别针对非等温灰体漫射表面和非灰体漫射表面定义了辐射（火积）流、单色辐射（火积）流等概念.基于这些定义,分别在全波长和单色波长下得到了辐射（火积）平衡方程和辐射（火积）耗散函数,进而发展了辐射（火积）损失极小值原理、辐射（火积）耗散极值原理和最小辐射热阻原理.辐射（火积）损失极小值原理表明,满足控制方程和边界条件的热势与热流分布,必使系统的辐射（火积）损失达到极小值.辐射（火积）耗散极值原理表面可通过寻求辐射（火积）耗散的极值来获得给定系统传热量时的最小系统平均传热势差以及给定系统平均传热势差时的最大传热量;而最小热阻原理则表明,辐射（火积）耗散的极值与最小辐射热阻是相对应的.本文还给出了单色辐射（火积）耗散极值原理和最小单色辐射热阻原理的应用算例,论证了该原理的适用性.