基于热质理论的Hamilton原理

基于热质理论,类比经典力学,给出了热质运动遵循的Hamilton原理以及相应的导热Lagrange方程.由于考虑了热质动能,热质运动的Hamilton原理有望应用于非Fourier效应的讨论,在忽略热质动能时,回归到Fourier热学.应用Lagrange方程对含内热源一维瞬态导热问题进行了近似求解,计算结果与解析解符合较好.从分析力学的角度对传热理论以及热学与力学的统一做了新的阐释,指出了现有文献中采用分析力学方法讨论导热问题时存在的某些不足,为导热问题的近似求解提供了新的思路,同时也说明了热质和热质能     

基于热质理论的热波传递现象研究

基于热质的概念应用牛顿力学原理建屯了热质输运的控制方程,推导得到了普适的导热定律.在惯性力可以忽略时它即退化为傅立叶导热定律,反映出非傅立叶导热现象的本质是热质的惯性引起的.当热流和温度对空间的惯性以及温度对时间的惯性可以忽略时,所得到的导热定律可以退化为CV模型.对热波传递的数值分析表明:当热扰动和热流都比较小时,热流在空间加速的惯性可以忽略,基丁热质理论的热波方程和CV模型符合得很好;但是,在描述较大的热扰动时,由于热流的空间加速惯性不能够被忽略,CV模型的结果在两个温度波峰叠加时会出现负温度的非物理现象,而基于热质理论的普适导热定律的结果则克服了这一缺陷.     

热质的运动与传递-微尺度导热中的热质动能效应

基于热质(热量的当量动质量)的概念,通过建立和分析热质的运动方程得到了反映热质动能变化的稳态导热微分方程,表明Fourier导热定律只有在热质的动能变化相对热质势能变化很小而可以忽略时才成立;在高热流密度和低温的情况下热质的动能变化不可忽略,这种动能效应表现为热流密度和温度梯度不再成线性关系.动能效应也导致Fourier导热定律不能通过热流和温度梯度准确地获得物体的导热系数,本文基于热质运动方程给出了导热系数动能效应的修正式.最后针对高热流密度和低温一维稳态导热进行了分子动力学模拟验证.     

热质的运动与传递-热波

根据爱因斯坦狭义相对论,热量具有其对应的相对论质量,并且引入了描述热质(热量)运动的连续方程、动量方程.本文根据热质(热量)运动控制方程组,导出了热质(热量)的波动方程,证明了热量具有波动的传递方式,当热质动能与热质的耗散在同一量级时,得到了有限的热波传播速度.分析了热波产生的物理机制.基于热质理论的热波模型与CV模型进行了比较,指出了CV模型在物理上的缺陷.最后对一维热波的传播过程进行了数值模拟,给出了超快速导热过程的物理图像.     

稳态导热中的非傅立叶效应

基于热质与热质势的概念,研究了稳态条件下的导热规律.结果表明:热量在输运过程中受到来自热质势场的驱动力以及来自介质的阻力,当两者平衡时,热量的输运规律满足傅立叶导热定律;当惯性力不能被忽略从而两者不平衡时,热量将被加速,热流密度和温度梯度之间的线性关系不再成立,表现出明显的非傅立叶效应.用数值模拟定量地研究了非傅立叶效应对稳态导热过程的影响.     

基于热质理论的广义热弹性动力学模型

具有微尺度传热特征的超常传热过程中,热流矢与温度梯度之间存在延迟效应,且热流的运动受到空间效应的影响.基于热质概念的普适导热定律,结合Clausius不等式和Helmholtz自由能公式,构建了计及热流矢和温度对时间和空间惯性效应的广义热弹性动力学模型,推导了各向同性材料超常传热行为的热弹性控制方程组.通过与已有广义热弹性动力学模型进行对比分析可得,当热流密度不大的条件下,热流矢与温度对空间的惯性效应可忽略时,基于热质概念的广义热弹性模型可分别退化为L-S,G-L和G-N的模型;对于尺度微观、稳态导热条件时,热流矢与温度对空间的惯性效应不可忽略,此时导热系数将受到热质运动惯性效应的影响,利用所建模型可揭示稳态导热时呈现的非傅里叶现象,并可避免基于已有广义模型得到的导热系数随结构特征尺寸变化的非物理现象.     

热波传递过程中的熵产分析

傅里叶导热定律导出的温度演化方程将得出无限大的热扰动传播速率。为了克服这个问题,一些修正导热模型被提出,可以得到双曲型温度方程,保证有限的热波传播速率。但是,新的传热模型得出的温度演化将使现有的不可逆热力学中熵产不能保持正定。拓展不可逆热力学通过修正熵以及熵产的表达式,使双曲导热也能得到正定的熵产率。热质理论用力学的概...     

基于热质运动概念的普适导热定律

根据爱因斯坦的质能等效关系式,热能具有的等效质量称为热质,从而在固态和气态介质中分别建立了声子气质量和热子气质量的概念.应用牛顿定律建立了含有驱动力、阻力和惯性力的热质(声子气或热子气)运动的动量守恒方程.由于热量在介质中的传递本质上就是热质(声子气和热子气)在介质中的运动,所以热质动量守恒方程就是普适的导热定律,能够统一描述各种条件下的导热规律.当热流密度不是很大从而热质惯性力可以忽略时,热质动量守恒方程就退化为傅里叶导热定律,这表明傅里叶导热定律是特殊条件下的导热定律,对于微纳尺度条件下的导热,热流密度可以极高,由速度空间变化引起的惯性力不能忽略,在稳态导热情况下也将出现非傅里叶导热,此时在计算或者实验中不能用热流密度除温度梯度求导热系数.在超快速加热条件下,必需考虑惯性力,与基于CV导热模型的波动方程相比,普适的导热定律增加了因速度空间变化引起的惯性力项,所以在介质中热波叠加时不会出现产生负温度的非物理现象,表明基于热质运动概念的普适导热定律更为合理. 关键词： 傅里叶导热定律 普适导热定律 热质运动 非傅里叶导热     

热质的运动和传递——热子气的守恒方程和傅立叶定律

本文在热质和热子气概念的基础上建立了热子气的质量、动量、能量守恒方程.基于傅立叶导热定律求得了热子气粘性系数和粘性力的近似表达式.分析了傅立叶定律的物理意义:傅立叶定律是在忽略惯性力的条件下对热子气动量方程的近似.在极低温度或极高热流密度条件下傅立叶定律不再适用.     

热惯性对热弹性行为影响的渐近分析

当热作用时间或受热器件结构尺寸呈现微尺度特征时, 热流运动的惯性效应将对热量的传递过程产生显著地影响. 基于热质的概念, 依据牛顿力学原理引入用于描述热质运动的热波方程, 结合各向同性材料的本构关系, 构建了计及热流运动惯性效应的广义热弹性动力学模型. 利用超常传热的微尺度特征, 采用解析的方法对半无限大体外表面受热冲击作用的一维问题进行了渐近求解. 通过对热波、热弹性波的传播和各物理场分布的分析以及与已有广义热弹性理论预测结果的对比, 揭示了热流运动的惯性效应对热弹性行为的影响. 结果表明：热量的传递除了受到热流加速的时间惯性影响之外, 热流运动的空间惯性也对传热行为产生影响, 当计及空间惯性时, 热波、热弹性波的波速、波前位置, 各物理场的建立时间、阶跃峰值及阶跃间隔均受到不同程度的影响. 关键词： 热惯性 热质运动 广义热弹性动力学模型 渐近分析     

非平衡热力学中传热过程熵产表达式的修正

熵产是非平衡热力学中的核心物理量,传统上表示为广义力(驱动力)与广义流的乘积.这种表达存在两方面缺陷:一是广义力与广义流的拆分具有任意性;更重要的是,以其计算热波传递时熵产可以为负值,从而违反热力学第二定律.本文基于热质理论分析表明,传热过程的熵产实质上是由热质流体的热质能耗散引起的,所以熵产中的力不是驱动力而是阻力,并且具有力的量纲.由此提出的熵产修正表达式,不仅在计算热波传递过程中熵产恒为正值,与扩展不可逆热力学中的熵产表达式一致,而且不存在力和流拆分的任意性.     

含对流与蒸发表面的有限厚度材料的双曲型热传导分析

本文对于含有对流与蒸发表面的有限厚度材料,在遭受一脉冲表面热流作用时的双曲型热传导进行了分析,采用热势函数描述的双曲型热传导方程来描述该问题,并用有限差分法进行数值求解．同时,本文还就表面对流与蒸发对材料表面与内部瞬态温度变化的影响以及材料双曲型热传导对表面蒸发的影响进行了分析．     

相变储热体释热强度研究

对相变储热体以导热为主的释热过程,可以应用一维相变导热模型描述。当进一步简化,认为散热表面的温度低于相变温度且保持不变,不考虑液相区的自然对流和固液两相有明确的分界面,利用Neuman解法求解出释热过程的热强度,并通过实验进行研究。理论与实验结果比较表明,其相对误差不大于5％,从而证明这种方法可作为这类储热体的设计基础。     

热子动力学模拟方法

提出热子动力学模拟方法,以理想气体中的热质粒子即热子为模拟对象,建立热子间的碰撞模型,统计可获得热子气系统的热力学性质,实现对热质的直接模拟.基于该方法,对氩热子气的平衡态系统和非平衡态系统进行模拟计算,模拟计算的热子气的状态方程同理论表达式一致,准确得到了氩气热导率在微纳尺度下的变化规律,验证了热子动力学模拟方法的可行性.     

Understanding of temperature and size dependences of effective thermal conductivity of nanotubes

The anomalous thermal transport properties of nanotubes may lead to many important applications, but the mechanisms are still unclear. In this work, we present new governing equations for non-Fourier heat conduction in nanomaterials based on the concept of thermomass. The effective thermal conductivities of nanotubes are therefore predicted which agree very well with the available experimental data. Analysis suggests that the inertial effect of heat and the confined heat flux by nanostructured surfaces are two key mechanisms causing the anomalous temperature and size dependences of effective thermal conductivity of nanotubes.     

两级敏度分析求解非线性稳态多宗量热传导反问题

提出基于两级敏度分析的稳态非线性热传导反问题的求解策略,建立了便于非线性正演和反演的有限元模型,由此可直接求导进行敏度分析,同时还考虑了非均质和分布参数的影响。对非线性热物性参数和边界条件的反演,进行了数值验证,取得了令人满意的结果,并对信息误差作了初步探讨。     

地热换热器的传热分析

本文综述了作者近年来在地热换热器传热模型方面的研究:提出了分析竖直埋管地热换热器钻孔内的传热过程的准三维模型,考虑流体工质在深度方向上的温度分布,给出钻孔内热阻的解析表达式;求得有限长线热源在半无限大介质中的瞬态温度响应解析解;导得了有渗流时无限大介质中线热源温度响应的解析解。以上工作改进和深化了国际上现有的地热换热器传热模型,并已应用于工程设计和模拟。