(火积)——描述物体传递热量能力的物理量

从导热过程与导电过程的比拟出发，引入了与电容器的能量相对应的新的物理量Eh=QvhT／2．它具有“能量”的性质，它描述了一物体所具有的热量传递的总能力．由于它是热容量与温度乘积之半，因此把此物理量称之为[火积]．热量传递是一个不可逆过程，在传递过程中部分[火积]将被耗散，其数值可由[火积]耗散函数的体积分求得．在建立了[火积]平衡方程的基础上定义了[火积]传递的效率，从而可讨论传热过程的优化．在变分分析的基础上，提出了导热过程优化的[火积]耗散极值原理：对于具有一定的约束条件并给定热流边界条件时，当[火积]耗散最小，则导热过程最优（温差最小）；在给定温度边界条件时，[火积]耗散最大，则导热过程最优（热流最大）．基于[火积]的耗散这个物理量定义了多维导热问题中的当量热阻，从而可把导热优化的[火积]耗散极值原理归结为导热优化的最小热阻原理．最后，以体点散热问题为例，计算了使导热性能最好的导热系数的最佳分布，并对优化前后的导热性能作了比较．     

耗散极值原理的电热模拟实验研究

建立了具有32×16节点电阻的电热模拟装置.每个节点的4个电阻可以通过并联低阻值电阻模拟在基材中填充高导热材料.实验表明,使导热性能最优的高导热材料分布与数值模拟结果相一致,从而进一步验证了导热优化的(火积)耗散极值(最小热阻)原理.实验还证明在一般情况下导热过程的优化不宜采用最小熵产原理,因为后者属于热力学优化原理,适用于热功转换过程的优化.     

基于(火积)耗散原理的中介水热容量优化研究

基于火积耗散优化原理,以换热器组的火积耗散最小为优化目标,对具有相变的换热器组的中介流体的热容量进行优化研究.算例显示相对换热量随中介水热容量和热导率分配比的增加而先增大后减小,存在换热量极大值;同时当量热阻随中介水热容量和热导率分配比的增加而先减小后增大,存在当量热阻极小值,极值点所对应的热容量和热导率分配为最佳结果.     

基于(火积)耗散的换热器热阻分析

讨论了一维导热、典型对流换热过程和换热器中热阻的概念,提出了基于煨耗散的换热器热阻和换热器热阻因子的定义.建立了基于这一热阻的换热器分析方法,讨论了传热单元数和热容量流比对换热器热阻的影响.     

火积理论在高炉冷却壁性能评价中的应用

基于火积理论分析得出了高炉冷却壁的火积平衡方程式以及冷却壁中的火积耗散.在此基础上定义了高炉冷却壁的热阻.根据最小热阻原理,提出用高炉冷却壁的热阻来评价其传热性能的优劣的观点,通过实例说明了高炉冷却壁热阻的计算方法,比较了不同冷却水管间距下冷却壁热面最高温度及热阻之间的关系.结果表明,随着冷却水管间距的改变,冷却壁热阻与热面最高温度有相同的变化趋势.在一定的边界条件下,高炉冷却壁的热阻可以评价其传热性能的优劣.     

基于[火积]耗散的换热器热阻分析

讨论了一维导热、典型对流换热过程和换热器中热阻的概念,提出了基于[火积]耗散的换热器热阻和换热器热阻因子的定义．建立了基于这一热阻的换热器分析方法,讨论了传热单元数和热容量流比对换热器热阻的影响．     

基于最小热阻理论的混凝土导热系数计算模型

针对传统混凝土导热系数计算模型机械地按照混凝土组成来划分热流途径而导致计算结果偏大的问题,基于最小热阻理论,并考虑到混凝土中孔隙作用,对传统混凝土导热系数计算模型进行了改进.通过引入传热面积比例系数的方法,使混凝土中热流途径的划分不仅满足了混凝土组成的要求,而且满足了最小热阻理论.采用该模型分别计算了8种混凝土的导热系数,其计算结果与实测结果的误差率在-14.0%～+5.1%范围内,而Harmathy模型和Campbell-Allenand Throne模型的计算结果与实测结果误差率分别在4.9%～29.3%和11.0%～32.1%范围内.相比于传统的混凝土导热系数计算模型,基于最小热阻理论建立的混凝土导热系数计算模型精度有了较大的提高.     

变压器防腐涂层导热性能提升技术研究

 以水性环氧富锌涂层为研究对象,通过向其中添加石墨烯、碳纳米管、碳纳米角和超细石墨粉混合物来改性变压器防腐涂层导热性能。通过瞬态板式热源法、红外热像仪、热阻测试仪和扫描电子显微镜对传统溶剂型涂层、水性环氧富锌涂层以及改性高导热涂层的导热性能和微观结构进行了分析。结果显示改性高导热涂层的热阻最小（2.51℃/W）,导热系数最高（1.3450 W/（m·K））,表明其导热性能明显优于传统溶剂型涂层（4.57℃/W）和水性环氧富锌涂层（4.28℃/W）。改性高导热涂料导热性能的提高主要与其导热方式的优化和涂层致密性的提高有关。传统溶剂型涂料主要以声子形式进行热量传递。向水性环氧富锌涂料加入高导热填料后,一方面形成了以弹道-扩散的方式进行热量传递方式;另一方面添加的高导热物质在涂层中填充在孔隙和裂纹位置处,很大程度上提高了涂层的致密度,构建了变压器金属和外部环境的热量传递通道,因而使得涂料导热性能得到了显著提高。变压器温升模拟实验表明研制的新型高导热环保涂层可降低变压器油顶层温升1.67 K。     

基于NSGA-Ⅱ的层间隔震体系参数优化与能量响应分析

基于层间隔震体系两质点简化模型,建立了以基底剪力最小为优化目标的参数优化方法,采用NSGA-Ⅱ优化得到层间隔震体系在不同质量比下的最优频率比和最优阻尼比;建立了体系的能量和功率方程,从能量和功率角度分别分析了不同质量比下的层间隔震结构最优参数模型能量的传递、耗散和转化关系以及机理表现。     

第二类边界条件下硬脂酸固液相变蓄能研究

通过引入有效导热系数来考虑自然对流对固液相变传热的影响,将相变蓄能模型简化为仅用能量方程描述,采用显热容法及正态分布液相率模型进行了求解.与硬脂酸固液相变实验的比较表明:自然对流对相变传热的影响不可忽略;修正后的有效导热系数经验公式能更准确地描述等热流边界条件下的固液相变过程;在等壁温边界条件下,相变速率随时间的推移而减小;在等热流边界条件下,相变速率随时间的推移而增大.     

方管内混合对流与管壁导热耦合换热的数值模拟

针对方管内空气混合对流时的流固耦合换热问题,提出将壁面导热作为边界条件进行处理的壁面导热与流动耦合简化计算方法,推导了计算公式,并采用SIMPLER算法进行了数值模拟.算法忽略壁面沿厚度方向的导热,假设管壁温度沿轴向一维分布,采用热量平衡法建立边界单元的能量守恒方程,将固体区域的导热简化为流体区域的边界条件,以提高计算的精度和可靠性.计算结果表明,受二次流影响,沿通道周向热量从加热面同时沿顺时针和逆时针方向迅速向两边传递,各壁面最大温差小于0.5℃,在轴向归一化长度为2～4时壁面轴向导热热流密度出现最值.平均Nusselt数Num随Reynolds数Re及方管倾斜角度θ的增大而增大,最优倾角在-30°和0°之间变化,但当Re＞1 500时,Num随θ的变化近似保持不变.计算结果与实验数据吻合良好,最大偏差小于±28.7％.     

圆筒内层流对流换热的最佳速度场及工程应用

在粘性耗散一定的条件下,以热量传递势容耗散取得极值为优化目标,利用变分方法可以导出稳态层流对流换热的场协同方程.该文利用场协同方程,通过Fluent 6.0对含有均匀内热源、边界条件与实际搅拌器相近的圆筒内水的对流换热进行数值求解,得到了由多个涡构成的、规则合理的速度场分布.在粘性耗散和圆筒体积一定的条件下,最佳速度场会随着圆筒长径比的不同而发生变化,而且在某些条件下得到的优化流型与工业中搅拌器的常用流型十分相似.这些优化流型对搅拌器的选择和设计具有一定的辅助意义.     

无限大平板非稳态导热过程的数字特征

对无限大平板非稳态导热过程的平均温度和耗散函数这2个数字特征进行了研究.得到了对流换热边界条件下无量纲平均过余温度的数学模型;分析了表面温度系数随特征值与毕渥数的变化规律;定义了相应的时间常数,它是衡量无量纲平均过余温度衰减速率快慢的指标;并对毕渥数取极限时无量纲平均过余温度的变化规律做了讨论.利用格林公式推导出了热势与耗散函数之间的关系,并与机械能耗散系统进行了相似性分析.得到了对流换热边界条件下耗散函数随时间的变化规律,并将其与平均过余温度的变化规律做了比较.     

工艺条件下(1+n)多股流一维传热组织原则优化

在满足多股流换热工艺要求的前提下,分析了一股冷流与多股热流(或者一股热流与多股冷流换热)形成的(1+n)多股流换热过程的最佳组织原则.通过泛函数法,在给定火积耗散条件下求解所需最小换热面积.结果表明:换热工艺条件下,换热过程中保持换热系数的开平方与换热温差的乘积均匀时,(1+n)多股流换热过程最优,所需换热面积最小,而温差场均匀性原则并不是换热器设计的最佳原则.     

基于第一性原理对U3O8 的磁性和动力学性质的研究

基于第一性原理的密度泛函理论, 分别用(GGA) 和GGA+U方法对U₃O₈ 的磁性和动力学性质做了一定的研究,此外,在研究磁性的过程中,GGA+ U+ SO方法也被考虑其中. 优化得到的不同磁性态下的晶格参数和能量均与实验值吻合的非常好. 用铁磁和反铁磁下的能量差, E = E_AFM- E_FM, 作为磁性判断的一个标准, 计算发现U₃O₈的顺磁态为其基态. 对于动力学性质的研究, 不同于以往研究所采用的D_3d³点群, 本文采用C_2v晶体点群, 对U₃O₈的光谱属性重新进行归属和更正, 得到了与实验值基本一致的结果.     

非均匀多孔介质中导热过程

采用控制容积法和界面调和平均导热系数以及图形处理方法,对典型非均匀多孔介质Sierpinski地毯中的导热过程进行分析与模拟计算.结果表明:实际多孔介质中温度与热流分布是不均匀和不连续的,内部结构是影响温度分布和热量传递的主要因素,其影响程度与骨架和孔隙的导热系数、孔隙的大小和分布有关;温度梯度在孔隙中明显变大与孔隙处导热系数很小相对应;热流在孔隙和骨架交界处的局部区域中明显变大,尤其是在方形孔隙的角部出现热流峰值,这与温度发生突变的位置点相对应.研究结果可以推广到更为复杂的非均匀多孔介质的场合,可以进一步认识非均匀多孔介质中的导热规律,为工程计算提供更精确的计算方法.     

基于中心复合设计的平板型脉动热管传热性能研究

应用中心复合设计的统计学原理对研究平板型脉动热管传热性能的试验方案进行了设计并进行了试验研究.由试验数据得到了以充液率、倾斜角度和加热量作为变量的二阶回归模型,统计回归结果与试验结果偏差在5%以内.结果表明:倾斜角度和加热量对传热热阻的影响均是二次方的关系;充液率与加热量的乘积以及倾斜角度与加热量的乘积对传热热阻也存在影响;充液率对脉动热管传热性能的影响与倾斜角度对脉动热管传热性能的影响之间没有统计学上的联系.通过求解回归极值,可以对模型在给定工况下进行优化,从而获得脉动热管的最佳传热性能.     

第二类和第三类边界条件下非均匀内热源导热微分方程中的热流分流和叠加

本文应用热流的分流和叠加原理，得出第二类和第三类边界条件下，带非均匀内热源物体导热微分方程的解。     

基于密度法的热传导结构拓扑优化准则算法

热传导结构优化设计研究主要集中在形状及尺寸优化方面，这类方法由于结构初始估计构形带有经验性，通常并不是结构的最优拓扑，使设计具有局限性；为了有效求解热传导结构的最优拓扑，将结构力学中成熟的拓扑优化思想及其方法拓展到热传导结构的拓扑优化设计中，同时以最小热量传递势容耗散为优化目标，基于密度法建立热传导结构拓扑优化设计数学模型，并推导相应的优化准则；计算过程中应用基于卷积的滤波技术处理迭代密度场，消除数值计算不稳定性；不同条件下的数值算例验证了本文思想和算法的正确性、有效性，所得拓扑优化结果为后继的形状和尺寸优化提供了可靠的依据．     

降维变分法

依据最小势能、余能原理建立静态降维变分法.以此为基础，由哈密尔顿原理推得动态降维变分计算.该方法将物体离散为条，在任一时刻，每条在一定约束下，独立求解能量极值，可有效地简化工程力学数值计算.本文研究物体分条离散方法，极值约束及边界条件处理并给出证明.该方法揭示了新的物体形变、运动规律，对此本文作了分析.