不可逆双谐振通道电子热机生态学性能优化

建立了考虑电子源间热漏的不可逆双谐振通道能量选择性电子热机模型,联合统计力学和有限时间热力学理论,导出了系统的功率、效率、熵产率、生态学函数等主要性能参数的表达式。由数值计算对系统的生态学性能进行了分析和优化,得到了功率、效率、生态学函数等特性参数的最优区间和相互关系;获得了热漏、中心能量位置等设计参数对系统最优性能的影响特点。所得结果对多层固态热离子装置等实际电子机系统的设计和运行具有理论指导意义。     

周期性双势垒锯齿势中温差驱动的布朗热机

研究了周期性双势垒锯齿势中, 布朗粒子在外力作用下沿空间坐标方向交替地和高、低温热库接触构成的布朗热机的热力学性能. 考虑布朗粒子动能的变化以及高、 低温库之间热漏的存在, 通过数值计算分析势垒高度、势比、外力等参数对布朗热机效率的影响. 研究表明：当考虑热漏时, 布朗热机始终是不可逆的, 效率小于卡诺效率; 并且当热漏很小时, 势比的增大在一定程度上可提高布朗热机的效率; 其功率与效率之间的关系曲线为闭合线. 当不考虑热漏时, 其功率与效率之间的关系曲线为开型线, 但由于布朗粒子动能的变化引起的不可逆热流, 热机的效率依然小于卡诺效率. 关键词： 布朗热机 双势垒锯齿势 热漏 热力学性能     

温库边界对布朗热机性能的影响

研究了单势垒锯齿势中,布朗粒子在外力和空间周期温度场作用下构成的布朗热机的热力学性能.考虑布朗粒子动能变化以及高、低温库之间热漏引起的热流.用Smoluchowski方程描述粒子在黏性介质中的动力学特性,推导出高、低温库的热流以及热机功率和效率的解析表达式.通过数值计算分析势垒高度、外力和温库边界对热机性能的影响.研究表明:由于动能变化和热漏引起的不可逆热流的存在,布朗热机为不可逆热机,热机的功率效率特性为一闭合的关系曲线;势垒边界与温库边界重合时,热机的功率达到最大值;通过改变温库边界的位置,可以在一定范围内提高热机的效率,但同时减小了热机的输出功率.     

一类不可逆热机的热经济学优化性能

基于一类不可逆热机的一般循环模型,以每单位成本的功率输出作为热经济学目标函数,研究投资成本、燃料成本、其它费用成本和几种主要不可逆性对热机性能的影响。导出热机效率和热经济学目标函数间的基本优化关系。由此计算了最大热经济学目标函数及其对应的热机性能参数,给出了在不同传热规律下热机的基本优化关系。确定了热机的最佳工作区域和重要性能参数的界限。     

线性与非线性传热过程的Curzon-Ahlborn热机在任意功率时的效率

热机性能的优化是热力学领域的一个重要问题,而工质与热源之间的传热过程是热机工作时产生不可逆的主要来源.本文在引入功率增益和效率增益两个重要参数的基础上,基于一个简化的Curzon-Ahlborn热机模型并利用合比分比原理,给出了线性与非线性传热过程的热机在任意功率输出时的效率表达式,结合数值计算详细讨论了热机在任意功率输出时的特性.研究表明,参数ξ作为功率增益δP的函数存在两个分支:在第一分支上(不利情形),效率呈现出单调变化特征;在第二分支上(有利情形),效率随着的δP变化是非单调的且有最大值.随着传热指数的增加,热机的工作区域减小,这源于非线性传热过程包含热辐射所致.进一步发现功率-效率关系曲线存在权衡工作点,热机在该点附近工作能够实现最有效的热功转换.研究结果有助于深入理解具有不同传热过程热机的优化执行.     

一维晶格中费曼棘齿-棘爪热机

研究了一维晶格中费曼棘齿-棘爪热机模型. 用粒子的概率主方程来描述粒子在晶格中的动力学特性, 推导出热流、 功率和效率的表达式. 通过数值计算分析势垒高度、 外力和温比对热流以及热机功率和效率的影响. 研究表明: 在粒子稳态概率流为零时, 存在非零的热流从高温库流入低温库, 类似于经典不可逆卡诺模型中的热漏; 热漏的存在使得热机的效率远远小于卡诺效率, 功率与效率之间为闭合的关系曲线, 热机为不可逆热机; 对热机性能参数进行优化, 可以使热机工作在最优性能状态下.     

传热规律对卡诺热机性能的影响

自从Curzon和Ahlborn于1975年导出工作于T_H、T_L热源间卡诺热机最大功率输出时的效率界限η_m=η_(CA)=1—(T_L/T_H)~(0.5)以来,已有百余篇文献研究了热机有限时间热力学问题,除了极少数文献外,其余工作多以线性传热定律为基础进行研究。本文进一步导出两种非线性传热规律时卡诺热机的最优性能。     

预热型S-CO2循环生态学函数分析与优化

预热型超临界二氧化碳(Supercritical CO₂,简称S-CO₂)布雷顿循环可进一步利用高温热源余热,在燃气轮机余热回收应用领域中具有较高的发展潜力。本文以存在有限温差传热、不可逆压缩、不可逆膨胀等不可逆因素的预热型S-CO₂布雷顿循环为研究对象,考虑生态学函数为目标,首先分析了工质质量流率、压比、透平效率和压缩机效率的影响,然后在总热导率一定的条件下,以生态学函数最大目标分别对压比、质量流率、预热器、加热器、冷却器和回热器热导率分配比进行优化。结果表明：在质量流率较小时,可通过增大压比、分流系数、加热器热导率分配比的方式来提高生态学函数;在质量流率较大时,则需要适当减小压比、分流系数,增大预热器热导率分配比来提高生态学函数;经优化,循环生态学函数最大可提高150.98%。     

以广义Redlich-Kwong气体为工质的不可逆回热式斯特林热机循环输出功率和效率

研究了热阻、回热损失和热漏等多种不可逆因素对以广义Redlich-Kwong气体为工质的斯特林热机性能的影响,给出了斯特林热机输出功率和效率的具体表达式并分析非理想回热特性及循环主要性能参数(如循环体积比及工质高低温比等)对循环输出功率和效率的影响.同时指出,只有在理想回热及无热漏的情况下,气体斯特林热机的效率才能达到卡诺效率.     

线性唯象传热定律下斯特林机多目标优化

本文对斯特林发动机进行了有限时间热力学分析,在线性唯象传热定律的基础上,考虑了热源与工质换热的有限性、回热不完全性以及冷热源间存在的热漏等不可逆因素,继而得到了该模型的效率、功率以及生态学性能函数。考虑到三个优化指标不可能同时达到各自的最优值,故采用多目标遗传算法对其进行三目标同时优化,并用TOPSIS法进行决策并将最终的结果与单目标优化进行了对比。     

恒温热源闭式燃气轮机中冷循环性能优化

本文运用有限时间热力学(FTT)理论,导出了恒温热源条件下闭式燃气轮机不可逆中冷循环功率、效率和功率密度的解析式,分别优化了循环最优功率和功率密度时各换热器热导率分配、中间压比和总压比,并比较了相应性能。     

有热漏时定常态不可逆卡诺热机功率效率特性

对变热漏情况下定常态不可逆卡诺热机进行了有限时间热力学分析。导出最佳效率时的功率与等熵温比指数、效率与等熵温比指数的关系式,以及最佳面积比,进而得到最佳效率与功率关系。对最佳功率与最佳效率时的热机性能进行分析和讨论,给出一些有益的结论。     

质子交换膜燃料电池-热电制冷混合系统的生态学研究

本文基于生态学准则对稳定运行状态下的混合系统(由质子交换膜燃料电池(PEMFC)与热电制冷装置(TEG-TEC)组成)进行了优化研究,考虑了PEMFC电化学反应中的过电势损失和TEG-TEC内部的不可逆损失,导出了PEMFC工作电流密度与TEG-TEC电流之间的关系以及混合系统的等效输出功率和生态学性能系数(ECOP)的表达式,ECOP表示为混合系统单位可用能损失率的等效输出功率。通过数值计算,给出了混合系统的优化工作区间。结果表明,混合系统的最大功率密度P_c^*和生态学性能系数比单独工作的PEMFC分别提升了1.42%和4.47%。最后研究了工作温度、工作压力、热电元件数量及汤姆逊效应对混合系统性能的影响。     

含有一般性热转移过程的低耗散型热机的权衡优化研究

实际热机在工作过程中必然伴随热转移过程.本文提出了含有一般性热转移过程的低耗散热机模型.利用权衡优化方法对该低耗散热机的性能进行了优化分析,推导出了权衡判据下热机功率和效率表达式.详细讨论了不同热转移过程支配下的热机功率以及效率特征,其结果有助于深入理解实际热机的优化机制.     

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.     

非线性二极管系统构成的不可逆热机性能特征分析

研究了一个非线性二极管系统构成的不可逆热机的性能,它是由分别处于两个温度不同的热库中,完全相同的两个非线性二极管反向连接后并联上一个电容器组成的.运用非线性系统涨落理论计算出从两个热库中吸收的热流,考虑热漏损失后得出热机的功率和效率.通过数值模拟可以绘出热机的性能特征曲线以及优化性能参数随两热库温度比等主要参量的特征曲线.分析了二极管的非线性强度、热漏损失和温度比对热机性能特性的影响.最后,讨论了理想二极管热机的性能特征.     

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。     

辐射对流传热对不可逆太阳能Braysson热机性能的影响

建立高温端同时辐射对流传热、低温端对流传热的不可逆太阳能Braysson热机循环新模型,探索有限速率热传导和绝热过程不可逆性等对热机循环性能的影响,基于热力学分析方法,导出热机输出功率和效率的解析表达式,数值计算结果揭示了等压温比、内不可逆参量及与热传导系数和面积有关的匹配参量等对热机性能特性的影响,所得结论不仅能导出其它不可逆太阳能热机的优化性能.且可为太阳能热机的参数设计和性能评价提供新理论参考.     

斯特林热机的基本优化关系及功率和效率界限

1前言近年来,有些学者应用有限时间热力学研究斯特林热机的优化性能,获得一些比经典热力学界限更有意义的新性能界限。但至今为数还较少,应继续开展研究。特别是有人提出“21世纪是斯特林热机的世纪’巾一］。本文将进一步研究受热阻、热漏和回热损失三种主要不可逆因素影响的斯特林热机的优化性能,导出热机的基本优化关系及功率和效率界限。结果表明,热漏的存在使斯特林热机的优化性能与无热漏时的有质的差异,而在热阻和回热损失的基础上再考虑热漏的影响,其结果将可反映出实际热机观测性能的主要特征【’,‘］,从而对实际更有指…     

能造出功率和效率都高的热机吗?——有限时间热力学的发展与展望

在热力学中,功率和效率是衡量热机性能的两个主要参数.根据经典热力学,可逆热机效率的上限是卡诺效率,但相应的功率为零.这是因为卡诺效率的实现依赖于时间无穷长的准静态假设.因此,如何根据实际需求,在保证热机功率前提下提高热机效率成为热力学一个重要的科学挑战问题.在20世纪上半叶应运而生的有限时间热力学,今天得到了蓬勃发展,...