导热规律为q∝△（1／T）的不可逆卡诺循环新理论

近年来，一些献基于牛顿传热律建立了一种不可逆卡诺循环新理论，导出与实际热机观测性能相接近的基本优化关系及功率和效率界限，显然，除了牛顿传热律外，还需要考虑其他导热规律，本将基于另一种线性导热规律，即热流q正比于温度T的倒数差△(1／T)的导热规律，导出含有热阻、热漏和工质内部不可逆性的不可逆卡诺循环的功率P与效率η的优化关系，即循环的基本优化关系：     

导热规律为q∝△(1/T)时的η_m

Curzon和Ahlborn最先考虑了卡诺循环中热传递的不可逆性,基于通常的线性导热规律,即从热源到工质的热流q与热源和工质间的温度差△T成正比     

广义对流传热定律下多级热机系统功率优化的Hamilton-Jacobi-Bellman方程和动态规划法

研究了有限热容高温流体热源和无限热容低温环境间工作的多级内可逆卡诺热机系统, 考虑热源与工质间传热服从广义对流传热定律[q∝(ΔT)^m], 在初态时刻和驱动流体初态温度均一定的条件下, 应用最优控制理论导出了最大输出功率与流体温度最优构型相关的连续Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB)方程. 基于普适的优化结果, 进一步导出了牛顿传热定律(m=1)下的解析解; 对于非牛顿传热定律(m≠1), 优化问题不存在解析解, 将连续HJB方程离散化, 运用动态规划方法编程实现获得了其完整的数值解, 并深入讨论了系统最大输出功率与过程时间、流体温度三者间的关联耦合关系. 研究结果对实际能量转化系统的最优设计与运行具有一定理论指导作用.     

不可逆热机的功率效率特性——以内热漏为例

EL-Wakil和Curzon-Ahlborn导出了内可逆卡诺热机的效率界限ηcA,严子浚导出了其最佳功率P、效率η关系(见图1中曲线1)。实际热机为不可逆循环,除热阻外,还存在其它很多不可逆性。一些文献采用一常系数项表征除热阻外的内不可逆性,得到不可逆热机的P-η关系(见图1中曲线2),本文研究表明,这种不可逆热机模型与实际热机特性不符。采用Bejan和Swanson的外热阻加内热漏不可逆定     

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(火积)与热质...     

热阻影响下布雷顿循环的基本优化关系

有限时间热力学提出之后,对受热阻影响的卡诺循环已有较深入的研究,而对热阻影响下的布雷顿循环则研究较少,至今尚未求出其基本优化关系。本文由新近发展的两有限热源内可逆循环理论,导出受热阻影响的布雷顿循环的基本优化关系,并揭示其主要特征。     

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.     

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.     

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.     

混合热阻条件下正、反卡诺循环的最优性能与面积比

自有限时间热力学创立以来,国内外对受热阻影响的二源卡诺循环已有许多深入的研究。其中又以线性或非线性传热的活塞式模型居多,本文则要研究两种线性与非线性混合传热热阻条件下,定常态能量转换热机、制冷与热泵循环的热力性能,得到了一组重要的性能优化公式及相应的最佳面积比的统一表达式。     

最小热量传递势容耗散原理及其在导热优化中的应用

基于热量传递现象的本质, 从传热学的角度定义了热量传递势容和热量传递势容耗散函数, 它们的物理意义相应为热量传递能力的总量和热量传递能力的耗散率. 针对以提高导热效率为目标函数的导热过程优化, 提出了最小热量传递势容耗散原理, 即在总导热能力一定的条件下, 当热量传递势容耗散为最小时的导热系数分布为最佳, 即其导热效率最高. 最后, 举例说明了最小热量传递势容耗散原理在导热过程优化中的应用.     

T形腔火积耗散最小构形优化

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. 针对矩形固体中包含T形开口空腔的传热模型, 引入了基于火积耗散定义的无量纲当量热阻, 在系统总体积、空腔体积以及T形腔所占矩形域体积一定的约束条件下, 以该当量热阻最小化为目标对模型进行了构形优化. 数值结果表明, 基于火积耗散极值原理可以设计出系统传热性能最优的几何结构. 修正了文献中无量纲总(最大)热阻的表达式, 以其最小化为目标得到了一些与文献结果不同的新规律. 将两种热阻指标下的数值优化结果进行了对比分析, 发现分别对应两种指标的最优系统结构明显不同, 以当量热阻最小化为目标的优化比以最大热阻最小化为目标的优化, 可以有效降低传热平均温差, 改善系统整体传热性能. 空腔自由度越大, 系统性能更佳. 通过数据拟合, 分别得到了当量热阻和最大热阻与3自由度几何参数的优化关联式.     

征订启事

Bejan最早指出了有限温差传热不可逆性与有限压降流体流动不可逆性之间的相似性，Radcenco作了进一步分析，最近，Bejan用内可逆热机的研究方法导出了流体流动作功装置最大功率输出时的效率，对线性流阻关系，其结论是正确的，而对非线性流阻关系，献的结果是不正确的。     

非线性流阻关系下流体流动输出功率装置的优化

Bejan最早指出了有限温差传热不可逆性与有限压降流体流动不可逆性之间的相似性,Radcenco作了进一步分析.最近,Bejan用内可逆热机的研究方法导出了流体流动作功装置最大功率输出时的效率.对线性流阻关系,其结论是正确的,而对非线性流阻关系,文献的结果是不正确的.Bejan考虑了一个不计摩擦效应的活塞、气缸     

强化对流换热中的热量加权温差分析与应用

以电子器件对流散热为背景,提出热量加权温差综合评价传热量一定的多热源的平均温度和传热系统的传热效率.通过分析对流传热中控制体内"(火积)"的构成,结合变分原理推导了对流换热中的热量加权温差,讨论了温差均匀性、传热效率以及热量加权温差三者的关系,即热量加权温差越小,传热系统温差均匀程度越高;另外,从热量加权温差减小的方向来优化传热,设计一种开缝与翻折相结合的散热翅片,计算开缝和多翻折翅片与常规直翅片的热量加权温差大小,并用热量加权温差分析两种传热系统的多热源平均温度大小和温差均匀程度高低的原因,结果表明:传热系统的热量加权温差越小,冷却多热源物体平均温度效果越好.即对流换热总传热量一定时,热量加权温差可评价对流换热的传热效率和温差均匀性.     

εR最大时卡诺制冷机的ε和R

在有限时间热力学的研究中,当讨论热机的最优化问题时,目前常用的目标函数有功率、效率、(火用)效率和熵产生等等。例如,柯曾(Curzon)和阿尔博恩(Ahlborn)求出了最大功率输出时卡诺循环的效率,罗宾(Rubin)又推     

一类普适导热规律下不可逆热机的性能

一类普适导热规律下不可逆热机的性能陈林根曹水孙丰瑞（海军工程学院，湖北武汉４３００３３）有限时间热力学研究的热机基本模型为仅考虑热阻损失的内可逆热机循环，且大多假定导热服从牛顿定律。实际热机循环中还存在其它不可逆性，因此一些学者建立了热阻加热漏热机模...     

(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.     

不可逆过程热力学与油田开发

油田开发中的一些重要过程如传质、传热、粘滞流动,相转变和化学变化等,实质上都属不可逆过程。本文提出了以不可逆过程热力学基本理论对油田开发若干过程进行研究的设想。     

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.