(火积)的宏观物理意义及其应用

提高传热过程的性能是解决能源问题的重要途径之一. 本文通过与力学中相关概念进行对比,分析了传热过程性能优化的新物理量——(火积)的宏观物理意义. 通过(火积)与物体对外传热能力、(火积)定义的传热过程效率以及(火积)与热量传递驱动力的关系三方面分析,发现(火积)具有的宏观物理意义是物体包含的热量在温度场中所具有的势能. 并且,通过对流换热的(火积)理论优化介绍了(火积)理论在工程实际中的应用. 关键词： (火积) 宏观物理意义 势能 对流换热     

广义流动中的积原理

自然界发生的热量传递、分子扩散、导电等现象具有一定的相似性,它们均可被称为广义流动.文章基于这种相似性,对过增元等针对传热过程提出的(火积)理论进行了推广,定义了积、积流、积耗散等概念.针对只有一种广义流动和存在两种广义流动的系统,指出了在该类系统中可以发展积原理的条件,并在满足相应条件的系统中得到了积损失极小值原理、积耗散极值原理和最小广义流阻原理. 关键词： 广义流动 积 积损失极小值原理 积耗散极值原理     

(火积)的微观表述

在近独立粒子组成的系统中,Boltzmann发现了系统熵与其微观状态数的对数之间的正比关系,为熵这一物理概念提供了微观解释,Planck将其总结为著名的Boltzmann熵公式S = k lnΩ.与此对应,给出了单原子理想气体系统中(火积)的微观表达式,证明了(火积)为广延量. 分析讨论了孤立系统从不平衡态发展到热平衡态过程中系统微观状态数、熵、(火积)的变化情况,结果表明在该过程中系统的微观状态数、熵向着增加方向发展,而(火积)则向着减小方向发展,从而在微观角度 关键词： 微观状态数 熵 (火积) 不可逆性     

导热与弹性系统及导电的相似性

本文将导热系统与弹性力学系统以及带电系统类比,发现这三种不同类型的系统在输运方面具有一致的行为特征,有相同的数学表达方式。都是在强度量的作用下,广延量的输运过程。强度量在被传递的广延量上的累积效果由广义功反映,广义功就是传递过程中的传递能力,传递能力在过程中有损耗。定义了导热过程中的热力功,它等于传热温度与传递的热量的乘积,反映了温度在传热量上的累积效果。热力功是传递中的热量传递势容,总热力功等于系统热量传递势容的改变量,热量传递势容表示物体的导热能力。     

(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.     

孤立系内热传导过程(火积)耗散的解析解

(火积)耗散与熵增均可以作为传热不可逆性的度量, 当前(火积)理论的反对者认为(火积)是不必要的. 为说明(火积)的必要性, 从有效性的角度进行了论证, 即在描述传热过程不可逆性的变化上, (火积)的严格解析解存在, 而熵的严格解析解难以得到. 本文构建了孤立系内的一维及多维热传导模型, 求解了温度及其梯度的级数型解析解, 将其代入(火积)耗散的求解式, 得到其最初的形式为一多重级数的多重积分, 交换积分与级数计算顺序, 并利用特征函数的正交性, 将(火积)耗散求解式中的积分运算求出, 并使级数的维数降低, 最终将其表示为一稳态项与一瞬态项加和的形式, 其极限与文献中的结果一致. 通过对孤立系内(火积)耗散解析解的求解可以得出: 由于热传导过程熵与(火积)的解析解求解难度不同, 在描述传热过程不可逆性变化上, (火积)更加有效; 对于孤立系内不同维数的热传导问题, 只要温度场解析解存在, (火积)耗散解析解均可以应用特征函数正交性求解得到.     

(火积)耗散原理在相变储热过程优化中的应用

为了强化相变储热单元的储热性能,基于(火积)耗散原理,数值分析了相变材料的熔点对储热单元的储热速率、(火积)耗散率及储热品质的影响。结果表明:对于单级相变储热单元,相变材料熔点越低,相变储热过程的传热速率就越高,而对应的(火积)耗散率就越大,储存热量的品质也越低。证明了(火积)耗散原理用于相变储热过程优化的可行性。对于两级相变储热单元的分析结果表明,合理的匹配两级相变材料的熔点,可以实现储热速率高于单一相变材料,且传热过程的不可逆性((火积)耗散率)低于单一相变材料。可见,多级相变材料的合理匹配,可以同时提高储热速率、降低储热过程的不可逆性。     

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     

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。     

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     

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.     

Optimization of fin geometry in heat convection with entransy theory

The entransy theory developed in recent years is used to optimize the aspect ratio of a plate fin in heat convection.Based on a two-dimensional model,the theoretical analysis shows that the minimum thermal resistance defined with the concept of entransy dissipation corresponds to the maximum heat transfer rate when the temperature of the heating surface is fixed.On the other hand,when the heat flux of the heating surface is fixed,the minimum thermal resistance corresponds to the minimum average temperature of the heating surface.The entropy optimization is also given for the heat transfer processes.It is observed that the minimum entropy generation,the minimum entropy generation number,and the minimum revised entropy generation number do not always correspond to the best heat transfer performance.In addition,the influence factors on the optimized aspect ratio of the plate fin are also discussed.The optimized ratio decreases with the enhancement of heat convection,while it increases with fin thermal conductivity increasing.     

双层耦合Lengel-Epstein模型中的超点阵斑图

用双层耦合的Lengel-Epstein模型, 研究了两个子系统的图灵模对斑图的影响,发现其波数比在斑图的形成和选择过程中起着重要作用.当波数比为1时,双层系统未能发生耦合,只能出现条纹和六边形斑图;当波数比处于1-√17 的范围时,两子系统发生耦合,图灵模之间发生共振相互作用,得到种类丰富的超点阵斑图,包括暗点、点-棒和复杂超六边、Ⅰ-型和Ⅱ-型白眼、类蜂窝和环状超六边等斑图;当波数比大于√17 , 系统选择的斑图类型不再变化,均为环状超六边斑图.数值模拟得到的条纹、六边形、超六边点阵、Ⅱ-型白眼斑图和类蜂窝斑图均已在介质阻挡放电系统实验中观察到. 另外,还得到了超点阵斑图的波数随两个扩散系数乘积D_uD_v的变化曲线,发现其随的D_uD_v增大而减小. 关键词： 耦合系统 超点阵 波数比 数值模拟     

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.     

Analyses of an air conditioning system with entropy generation minimization and entransy theory

In this paper,based on the generalized heat transfer law,an air conditioning system is analyzed with the entropy generation minimization and the entransy theory.Taking the coefficient of performance(denoted as COP) and heat flow rate Q~(out) which is released into the room as the optimization objectives,we discuss the applicabilities of the entropy generation minimization and entransy theory to the optimizations.Five numerical cases are presented.Combining the numerical results and theoretical analyses,we can conclude that the optimization applicabilities of the two theories are conditional.If Q~(out) is the optimization objective,larger entransy increase rate always leads to larger Q~(out),while smaller entropy generation rate does not.If we take COP as the optimization objective,neither the entropy generation minimization nor the concept of entransy increase is always applicable.Furthermore,we find that the concept of entransy dissipation is not applicable for the discussed cases.