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     

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     

基于(火积)理论的“+”形高导热构形通道实验研究

基于构形理论和■理论,对"+"形高导热通道的方形构造体开展导热实验研究,并对不同优化目标和不同高导热通道布置形式下的构造体导热性能进行比较.结果表明:对于"+"形高导热通道的方形构造体,实验和数值计算所得到的构造体最高温度点均位于"+"形高导热通道两分支之间,实验和数值计算所得到的构造体平均温差和■耗散率的误差均在可接受范围内,这从定性和定量的角度证明了导热构形优化结果的正确性.与"H"形高导热通道的方形构造体相比,构造体内高导热通道采用一级"+"形布置使得其导热■耗散率得到降低.■耗散率最小的一级"+"形高导热通道构造体最优构形与最大温差最小的构造体最优构形相比,前者的导热■耗散率降低了5.98%,但最大温差提高了3.57%.最大温差最小目标有助于提高构造体的热安全性,■耗散率最小目标有助于提高构造体的整体导热性能.在保证热安全性能的前提下,实际微电子器件设计中可采用■耗散率最小的构造体最优构形以提高其整体导热性能.     

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.     

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)耗散率最小的复杂肋片对流换热构形优化

基于构形理论, 以基于(火积)耗散率定义的当量热阻最小为优化目标对复杂肋片进行构形优化, 得到同时考虑肋片导热和对流换热(火积)耗散性能的肋片最优构形, 并比较不同形状和不同优化目标下的肋片最优构形. 结果表明: 存在最佳单元级直肋、中部空腔以及肋片末梢高度和长度比使得复杂肋片当量热阻取得三重最小值. 当量热阻最小的复杂肋片最优构形与T-Y形肋片最优构形相比, 复杂肋片结构使得肋片整体传热性能大大提高. 当肋片传热为二维传热且根部较宽时, 肋片根部温度越不均匀, 当量热阻最小和最大热阻最小的复杂肋片最优构形差别越大. 在保证热安全性的前提下, 工程上对肋片进行优化设计时可选择当量热阻最小的肋片构形设计方案以降低其平均传热温差、提高整体传热性能. 本文从传热优化角度为复杂肋片的优化设计提供了参考.     

非均匀产热圆盘辐射状和树状冷却流道构形设计

基于构形理论和(火积)理论,建立三维稳态非均匀产热圆盘"盘-点"对流传热模型以研究产热非均匀分布对电子器件热设计的影响.以(火积)耗散率与耗功率的复合函数最小为优化目标,得到不同产热分布条件下圆盘内部辐射状和树状冷却流道的最优构形,并采用NSGA-Ⅱ算法对该多目标问题进行优化得到其Pareto最优解集.结果 表明:1)...     

非均匀矩形产热体对流传热构形设计

针对电子器件非均匀发热问题,建立考虑流体流动和传热的三维非均匀矩形产热体模型,以综合考虑(火积)耗散率和耗功率的复合函数为优化目标,基于有限元方法对冷却流道直径和宽高比进行优化,得到矩形单元体在不同产热分布条件下的最优构形。结果表明:综合考虑传热性能和压降损失的复合函数对无量纲流道直径存在极值;当单元体个数从10增加到30时,复合函数的最小值减小了 16.7%;以双自由度对矩形非均匀产热体开展构形设计可进一步提升对流传热的综合性能;提升矩形产热体内部产热的均匀性有益于降低传热过程中的(火积)耗散率,设计人员以综合衡量(火积)耗散率和耗功率的复合函数为优化目标时应尽量将发热元件均匀布置在矩形产热体内。     

Y形肋片火积耗散率最小构形优化

结合（火积）耗散极值原理和构形理论,以基于（火积）耗散率的当量热阻最小化为目标,采用解析解法对Y形肋片进行了构形优化,分析了复合参数a（关于对流换热系数、肋片的包络面积及其热导率的简单函数）和肋片占比φ₁对Y形肋片优化的影响,并比较Y形和T形肋片的整体传热性能的优劣。结果表明,增大a和增大φ₁可降低肋片的无量纲当量热阻,改善其整体传热性能。总体积和肋片材料的体积都相同时,Y形肋片无量纲当量热阻要比T形肋片的无量纲当量热阻小很多。也就是说,Y形肋片优于T形肋片,更能提高系统的整体传热性能。     

基于(火积)耗散数最小的板翅式换热器优化设计

本文以传热和阻力引起的总(火积)耗散数最小为目标,在给定热负荷的情况下对工作流体为理想气体的板翅式换热器进行优化.结果表明,优化后传热(火积)耗散数和阻力(火积)耗散数都得到了大幅减小,而后者减小的幅度更大.随着总煨耗散数的减小,换热器有效度有所增加,而消耗的风机功率大幅减小,从而提高了换热器整体性能.     

高热流密度下矩形微小通道对流换热的模拟与优化

本文采用FLUENT软件对高热流密度下微小通道的换热效果进行数值模拟,以热源平均温度、热源表面温差和泵功作为判据,对微小通道的结构尺寸进行优化。通过优化结果发现,在文中所讨论的尺寸范围内,最佳水力直径为0.615 mm、深宽比为3.25,拟合出各无量纲参数之间影响传热的关系式,并应用模拟结果对(火积)耗散原理进行验证。     

热学中的新物理量

通过与力学、电学的比拟,在热学中引入了热量的势、势能、速度、动能等新的物理量,从而可建立热量运动的守恒方程组.热量传递是不可逆过程,耗散的是热量的"能量".以耗散最小(热阻最小)为目标函数,就能对传热过程进行优化.傅立叶导热定律是热量运动方程在不计动量变化条件下的简化.在极端(低温、超高速、纳米尺度)条件下不再适用,引入新物理量后,能阐明热波、导热系数尺度效应等"超常"物理现象.     

基于最小热量传递势容耗散原理的导热优化

导热是一个不可逆过程,它的优化遵循最小热量传递势容耗散原理。本文根据该原理,对体点问题中的高导热材料布置进行了优化。当域内导热系数的积分为定值时,最小热量传递势容耗散对应于导热系数与当地热流成正比,即全场的温度梯度均匀。以温度梯度均匀化为准则,利用仿生优化方法得到了域内有均匀和非均匀热源时高导热材料的最优布置。     

矩形肋片热沉(火积)耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较研究

针对矩形肋片热沉, 分别以最大热阻最小化和基于(火积)耗散定义的当量热阻最小化为优化目标, 采用二维传热模型并结合有限元数值仿真对其进行构形优化, 比较了两种目标下的热沉最优构形, 并分析了全局参数(综合了对流换热系数、肋片占据的总面积及其热导率的函数)和材料占比对两种目标(最大热阻、当量热阻)及其对应最优构形的影响. 结果表明: 热沉外形固定时, 两种目标下均不存在最优的肋片厚度; 热沉外形自由变化时, 两种目标下的最优构形存在一定的差异. 此外, 全局参数对两种目标下的最优构形均没有影响, 而材料占比对两种目标下的最优构形均有较大影响. 提高全局参数和材料占比均可以减小最大热阻最小值和当量热阻最小值, 但对两种目标的减小程度不同. 总体上, 调节热沉结构参数使当量热阻最小, 可以同时获得很好的局部极限性能; 而调节热沉结构参数使最大热阻最小, 获得的整体平均散热性能却较差. 因此, 对本文热沉模型进行优化时, 以当量热阻最小化为优化目标更合理.     

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...     

离散发热器件基于(火积)耗散率最小和最高温度最小的构形优化比较

建立了导热基座上圆柱体离散发热器件的三维湍流散热模型,基于构形理论,考虑空气变物性及可压缩性和黏性耗散,研究了器件材料的热导率、热源强度和流体流速对器件最高温度、基于(火积)耗散定义的当量热阻和平均Nu数的影响.结果表明:在总发热功率一定的条件下,以器件最高温度和当量热阻为性能指标进行热设计,均存在最优热源强度分布使得散热性能最优.当各热源强度相同且热源热导率小于基座热导率时,提高热源热导率可明显改善散热性能;将热源热导率沿流动方向从低到高布置可降低器件最高温度,而将热源热导率均匀布置可使当量热阻最小.所得结果可为实际热设计中不同材质和不同发热率的电子器件最优布置提供理论支撑.     

基于煅耗散最小的超临界二氧化碳传热优化研究

换热器性能的优化,不但能够强化传热减小阻力,而且能够节约能源和减少环境污染,这在能源日益短缺的今天具有重要的经济价值和社会效益。本文通过编程迭代的方法,对文献中的(火积)耗散均匀分布原则(EoED)和温差均匀分布原则(EoTD)略做改进,使改进后的两种优化原则更好地与实际应用相结合。基于改进后的两种优化原则,分析比较了二氧化碳在不同进口质量流量下,两种原则优化的效果.结果表明,从有效度、煅耗散数等沿管长Z方向的大小变化,显示(火积)耗散均匀分布原则优化结果明显优于温差均匀分布原则,表明煅耗散均匀分布原则的传热效率高于温差均匀分布原则.     

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.     

(火积)耗散理论在换热器设计中的应用

本文首先说明(火积)耗散理论避免了最小熵产原理和傅里叶定律间的矛盾,显示了其在处理导热问题上的优越性.然后利用热力学(火积)和熵的关系,推出了换热器中由流体阻力引起的(火积)耗散表达式.     

基于(火积)耗散的体点散热问题拓扑优化方法

本文建立了基于(火积)耗散的体点散热问题的拓扑优化方法.通过利用变分原理,拉格朗日乘子法和Frécheh微分法,给出了上述问题的最优性条件,并利用水平集方法给出了计算最优布置的方法.最后与构型理论比较发现,在同等条件下,本文算法的结果能更大地降低体内的平均温度和最高温度.