对流换热过程的热力学优化与传热优化

为了进一步明确对流换热过程中热力学优化与传热优化之间的差异,本文分别利用熵产最小原理、(火积)耗散极值原理针对两种边界条件下的对流换热问题进行分析,讨论熵产,(火积)耗散与有用能损失以及对流换热能力之间的关系.结果表明:熵产最小意味着系统的有用能损失最小,但并不反映系统的对流换热能力的强弱;而(火积)耗散取极值意味着系统的对流换热能力最强,但与系统的有用能损失不存在对应关系.因此,对于将降低有用能损失作为优化目标的换热问题应采用熵产最小原理进行分析;而对于需要将提高换热能力作为优化目标的对流换热问题应采用(火积)耗散极值原理进行分析.     

对流换热中的准(火积)耗散函数

通过分析对流换热过程中微元控制体内的(火积)流动平衡,得到类似于热传导过程中(火积)耗散函数表达形式的对流换热准(火积)耗散函数,表明对流换热过程中的(火积)耗散由热传导和对流形成的耗散共同构成。并通过分析对流换热过程的特点,对准(火积)耗散函数中对流项的影响进行了修正,使用圆管内热充分发展流动与无限宽平行通道内的对流换热过程检验,控制体内准(火积)耗散函数的计算结果与边界(火积)流的结果一致,表明文中提出的准(火积)耗散函数是可靠的。     

积与积减原理

文章分析了重力势能、引力势能、电荷势能、化学势能、热量势能、质量积、动量积等多种势能,发现它们均可表达为一种守恒广延量和对应的强度量的乘积,因此可将其统一定义为"积".基于积这一概念,文章得到了孤立系统内守恒广延量传递过程的积减原理,即孤立系统内进行的守恒广延量传递过程中系统的积总是减小的.进一步,文章还基于积的概念发展了孤立系统和封闭系统的势平衡判据,发现孤立系统达到势平衡状态时,系统的积达到最小值(最小积原理);当封闭系统达到势平衡状态时,系统的准自由积达到最小值(最小准自由积原理).上述结论应用于传热学中即可得到热量传递过程的(火积)减原理及相应的热平衡判据.与热力学中的核心概念熵相对应,由于物理量(火积)可以描述传热过程的不可逆性,作为传热过程的优化准则,度量系统的无序度,并给出系统的热平衡判据,因此(火积)是传热学中的核心概念. 关键词： 势能 积 积减原理 平衡判据     

基于有限时间热力学的换热器构型优化研究

针对逆流换热器的换热过程,以(火积)耗散最小为优化目标,推导出冷、热流体温度的最佳分布;进而在满足最佳温度分布的前提下,得到了最小(火积)耗散、最小热阻、(火积)传递效率与总传热单元数的关系.引入数值算例,结果显示随着总传热单元数的增加,换热过程不可逆损耗减小,但减小速率也越来越小.同时也证明了(火积)理论比熵理论更适...     

(火积)理论在热功转换过程中的应用探讨

分析和讨论了(火积)理论在热功转换过程的应用及其局限性.对Carnot循环的分析表明,Carnot循环中系统的(火积)是平衡的,但(火积)和熵之间不存在dG=T2dS这样的联系.对于一般热力学过程,分析表明,在热量传递到内可逆循环中间接对外做功时,现有的(火积)理论可用于系统的分析.讨论了热功转换过程分析中(火积)理论与熵理论的不同.分析表明,两个理论的分析角度及优化输出功的前提条件是不同的.熵产从可用能损失的角度分析热功转换过程,而(火积)理论则从热量势能消耗的角度.当输入系统的可用能给定或者输入系统的热量及热量进、出系统的热力学力给定时,熵产最小化对应于输出功最大;对于(火积)理论,则当输入系统的热量及热量进、出系统的温度给定时,最大(火积)损失对应于最大输出功.同时,它们各自均有局限性.当相应的前提条件不满足时,最大(火积)损失或最小熵产可能不与最大输出功相对应.     

基于(火积)耗散率最小的T-Y形肋片构形优化

基于构形理论,以导热和对流换热总(火积)耗散率最小为优化目标,对T-Y形肋片进行构形优化,得到同时考虑导热和对流换热(火积)耗散性能的T-Y形肋片最优构形。结果表明:存在最佳单元级直肋和中部空腔高度和长度比使得T-Y形肋片无量纲当量热阻取得二次最小值。增大肋片高度和长度比和肋片占比有助于提高T-Y形肋片整体传热性能。T-Y形肋片与T形肋片相比,T-Y形肋片二次最小无量纲当量热阻降低32.33%,此时T-Y形肋片温度梯度场更均匀,整体传热性能得到明显提高。     

基于(火积)的换热过程与换热系统协同优化方法

换热过程和换热系统是换热系统设计优化中局部和整体两个不同的优化层次,本文通过建立换热系统的不同优化层次之间的联系,通过将(火积)理论、CFD仿真技术和搜索算法相结合,设计了一种双层嵌套优化结构,实现了换热过程与换热系统的协同优化。文章利用协同优化方法对某典型多回路换热系统进行优化设计,通过优化换热器传热面积、变频泵运行频率和换热器板间距获得了给定系统总换热量和换热面积的情况下的系统最小总泵功耗,并对不同管网特性参数下的换热系统优化分析。计算结果表明,管网流动阻力的增大会提高换热系统的总泵功耗,相应地提高板式换热器的紧凑性有利于改善系统整体性能。     

热漏对换热器(火积)耗散最小化的影响

建立了存在热漏的换热器的传热过程模型.假定热流体与冷流体间的传热以及冷流体与外界环境间的热漏均服从牛顿传热定律,在冷流体净传热量一定的条件下,应用最优控制理论导出了换热过程(火积)耗散最小时热流体温度和冷流体温度的最优构型,并将最优路径分别与热流体温度一定和热流率一定的传统传热策略进行了比较.研究结果对于实际换热器的优化设计和最优运行具有一定的理论指导意义.     

基于(火积)耗散极值原理的管外流场优化

本文基于(火积)耗散极值原理得到了对流传热的优化场协同方程,用Fluent数值模拟求解层流状态下的管外流动换热的优化流场。得到了管外流动的优化速度场为多纵向涡结构形态,对优化流场进行分析,发现优化流场的综合换热效果远远高于原型流场。通过在管外添加扰流片的方法,来产生带有纵向涡的流场,达到优化管外流动传热的目的。数值模拟结果表明,添加扰流片在一定程度上可以强化管外对流换热。     

基于(火积)理论的轧钢加热炉壁变截面绝热层构形优化

基于绝热过程(火积)耗散极值原理, 分别在对流传热和复合传热(对流和辐射传热)边界条件下, 对轧钢加热炉壁变截面绝热层进行构形优化, 得到(火积)耗散率最小的绝热层最优构形. 结果表明: 与等截面绝热层相比, (火积)耗散率最小的变截面绝热层整体绝热性能更优. 热损失率最小和(火积)耗散率最小的绝热层最优构形是不同的. 热损失率最小的绝热层最优构形使得其能量损失减小, 而(火积)耗散率最小的绝热层最优构形使得其整体绝热性能提高. (火积)耗散率最小和最大温度梯度最小的变截面绝热层最优构形差别较小, 此时(火积)耗散率最小的绝热层最优构形在提高绝热层整体绝热性能的同时也提高了其热安全性. 基于(火积)理论的绝热层构形优化为绝热系统的优化设计提供了新的指导.     

最小煅耗优化在椭圆管换热中的应用

本文以(?)耗最小作为目标,以流动过程中的功率消耗一定作为约束条件,结合能量守恒方程和质量守恒方程得到了对流换热的优化场方程。通过数值计算,对优化场方程下的椭圆管对流换热问题进行了研究。结果表明,椭圆管优化速度场为多纵向涡结构,在这种优化场下换热能力增加的幅度远大于阻力增加的幅度,证明了以(?)耗最小作为目标的优化理论能够用于指导强化换热元件的设计。     

Uniformity principle of temperature difference field in heat transfer optimization

The uniformity principle of temperature difference field is very useful in heat exchanger analyses and optimizations.In this paper, we analyze some other heat transfer optimization problems in the thermal management system of spacecrafts,including the cooling of thermal components, the one-stream series-wound heat exchanger network, the volume-to-point heat conduction problem, and the radiative heat transfer optimization problem, and have found that the uniformity principle of temperature difference field also holds. When the design objectives under the given constraints are achieved, the distributions of the temperature difference fields are uniform. The principle reflects the characteristic of the distribution of potential in the heat transfer optimization problems. It is also shown that the principle is consistent with the entransy theory. Therefore, although the principle is intuitive and phenomenological, the entransy theory can be the physical basis of the principle.     

A comparison of different entransy flow definitions and entropy generation in thermal radiation optimization

In thermal radiation, taking heat flow as an extensive quantity and defining the potential as temperature T or the black body emissive power U will lead to two different definitions of radiation entransy flow and the corresponding principles for thermal radiation optimization. The two definitions of radiation entransy flow and the corresponding optimization prin ciples are compared in this paper. When the total heat flow is given, the optimization objectives of the extremum entransy dissipation principles （EEDPs） developed based on potentials T and U correspond to the minimum equivalent temperature difference and the minimum equivalent blackbody emissive power difference respectively. The physical meaning of the definition based on potential U is clearer than that based on potential T, but the latter one can be used for the coupled heat transfer optimization problem while the former one cannot. The extremum entropy generation principle （EEGP） for thermal radiation is also derived, which includes the minimum entropy generation principle for thermal radiation. When the radiation heat flow is prescribed, the EEGP reveals that the minimum entropy generation leads to the minimum equivalent thermodynamic potential difference, which is not the expected objective in heat transfer. Therefore, the minimum entropy generation is not always appropriate for thermal radiation optimization. Finally, three thermal radiation optimization examples are discussed, and the results show that the difference in optimization objective between the EEDPs and the EEGP leads to the difference between the optimization results. The EEDP based on potential T is more useful in practical application since its optimization objective is usually consistent with the expected one.     

微、纳米尺度下圆盘(火积)耗散率最小构形优化

基于构形理论, 以(火积)耗散率最小为优化目标, 在微、纳米尺度下对圆盘导热问题进行构形优化, 得到尺寸效应影响下的无量纲当量热阻最小的圆盘构造体最优构形. 结果表明: 在微、纳米尺度下, 尺寸效应影响下的圆盘构造体最优构形与无尺寸效应影响时的圆盘构造体最优构形有明显区别. 存在最佳无量纲高导热材料通道长度使无量纲当量热阻取得最小值; 随着扇形单元体数目的增大, 最小无量纲当量热阻先减小后增大, 存在最佳的扇形单元体数目使得无量纲当量热阻取得双重最小值, 这与常规尺度下圆盘构造体相应的性能特性明显不同. (火积)耗散率最小的圆盘构造体(火积)耗散率比最大温差最小的构造体(火积)耗散率降低了7.31%, 也即圆盘构造体的平均传热温差降低了7.31%. 微、纳米尺度下基于(火积)耗散率最小的圆盘构造体最优构形能够降低圆盘构造体的平均传热温差, 同时有助于提高其整体传热性能. 本文工作有助于进一步拓展(火积)耗散极值原理的应用范围. 关键词： 构形理论 (火积)耗散率最小 微、纳米尺度 广义热力学优化     

辐射(火积)耗散与空间辐射器温度场均匀化的关系

(火积)理论是针对传热优化发展起来的,并获得了越来越多的应用。本文基于辐射(?)原理,对空间辐射器散热过程中的散热量分布、发射率分布和散热面积分布问题进行了分析。对于以上三类优化分布问题,理论分析和数值计算均表明,辐射器最小的辐射(?)耗散和辐射热阻均对应于散热表面均匀的温度场。因此,辐射(?)原理可用于空间辐射器的温度场均匀化设计。     

基于(火积)耗散率最小的“盘点”冷却流道构形优化

基于构形理论, 以(火积)耗散率最小为优化目标, 对冷却流道的“盘点”传热问题进行构形优化, 得到冷却流道的圆盘构造体最优构形. 结果表明: 对于扇形单元体, 在其泵功率给定的条件下, 存在最佳展弦比使得扇形单元体无量纲当量热阻取得最小值; 对于一级树状圆盘, 在其总泵功率给定的条件下, 存在一级与单元级最佳流道宽度比和扇形单元体最佳无量纲半径使 得一级树状圆盘无量纲当量热阻取得最小值, 且一级与单元级最佳流道宽度比仅与单元体分支数有关. 当中心圆盘半径等于0时, 一级树状圆盘最终退化成辐射状圆盘, 此时一级树状圆盘半径为临界半径. 当一级树状圆盘半径大于临界半径时, 需对圆盘冷却流道采用树状布置, 反之则采用辐射状布置. 存在最佳单元体分支数使得无量纲当量热阻取得最小值, 这与高导热材料通道的“盘点”导热构形优化结果有明显区别. (火积)耗散率最小和最大温差最小的一级树状冷却流 道圆盘构造体最优构形是不同的. 与最大温差最小的冷却流道圆盘构造体相比, (火积)耗散率最小的冷却流道圆盘构造体当量热阻得到极大降低, 其整体传热性能得到明显提高. 因此, (火积)耗散极值原理与对流构形优化相结合, 有助于进一步揭示(火积)耗散极值原理在传热优化方面的优越性. 关键词： 构形理论 (火积)耗散率 冷却流道 广义热力学优化