綜合

理論及其應用的進展

陳林根

摘要：目的：近30年來，傳熱優化的基礎理論獲得了長足的進步，代表性的有有限時間熱力學、場協同原理、構形理論和理論等。這些理論的提出，促進了熱力學與傳熱學的發展；特別是和耗散極值原理的提出，為傳熱優化開辟了新的方向。本文回顧了理論的產生與發展過程，從導熱、對流換熱、輻射傳熱、換熱器設計、傳質等方面介紹了理論的研究進展。重點圍繞耗散率與熵產率的異同點比較分析、耗散極值原理與有限時間熱力學相結合、耗散極值原理與導熱構形優化相結合、耗散極值原理與對流構形優化相結合等四個方面，闡述了耗散極值原理的科學性。方法：在耗散率與熵產率異同點的分析中，分別從物理意義和傳熱效果方面來進行比較。在理論與有限時間熱力學相結合的研究中，在牛頓傳熱定律和廣義輻射傳熱定律下對換熱器換熱過程和液-固相變過程進行耗散率最小的優化，在菲克擴散傳質定律下對單向等溫傳質過程進行積耗散最小的優化。在理論與導熱構形優化相結合的研究中，在上級構形最優和釋放上級構形最優的條件下對定截面和變截面高導熱通道的不同外形構造體進行耗散率最小的優化，對輻射狀和樹網狀高導熱通道的圓盤構造體、不加和添加高導熱翅片的套管換熱器、給定和釋放磁場強度約束條件的電磁體以及內部產熱和外部加熱的冷卻空腔進行耗散率最小的優化。在理論與對流構形優化相結合的研究中，對矩形構造體內冷卻流道進行耗散率和流阻最小的優化，對各種肋片和蒸汽發生器進行耗散率最小的優化。結果：理論與有限時間熱力學相結合的優化研究表明，在牛頓傳熱規律下耗散最小時的換熱器熱、冷流體熱流密度為常數，線性唯象傳熱定律下溫度之比為常數，這與熵產生最小時的優化結果明顯不同；在耗散最小最優換熱策略下，凝固過程的相變邊界移動速度隨相變位置的變化規律和相變邊界隨時間的變化規律與熔化過程相應的變化規律是相同的，而在熵產生最小最優換熱策略下這一變化規律則是不同的；積耗散最小時的單向等溫傳質過程最優傳質策略為高、低濃度側關鍵組分濃度之差的平方與低濃度側惰性成分濃度的乘積為常數，而對應于熵產生最小時兩者之比為常數。理論與導熱構形優化相結合的優化研究表明，基于耗散率最小的構形可以較大程度的降低平均傳熱溫差；當高傳導材料中熱流密度不符合線性分布時，基于耗散率最小的最優構形與基于最大溫差最小的最優構形不同；在較大的圓盤半徑下，耗散率最小的圓盤構造體平均溫差要遠低于最大溫差最小的平均溫差，明顯地改善了傳熱性能；沒有高導熱翅片時套管換熱器的導熱性能隨著套管內徑的增加而增加，適量的添加高導熱翅片可以較好的改善換熱器性能；由于電磁體內部熱流線性分布，基于最大溫差與磁場強度相結合的復合優化目標函數和基于耗散率與磁場強度相結合的復合優化目標函數，優化所得結果基本一致；隨著占空比和長寬比值的增大，以最大熱阻最小和當量熱阻優化最小所得冷卻空腔的優化結果區別越大。理論與對流構形優化相結合的優化研究表明，矩形冷卻流道構造體越貼近實際，基于耗散率最小的各級構造體總流阻降低的幅度越大；以當量熱阻最小為目標的優化比以最大熱阻最小為目標的優化，能夠顯著降低各種肋片體內的傳熱平均溫差；以耗散率最大為目標的優化比以傳熱率最大為目標的優化，能夠明顯提高蒸汽發生器的整體傳熱性能。結論：理論為傳熱優化提供了不同于熵產生最小化的新的理論基礎。耗散率與熵產率相比較，在不以做功能力損失最小為目標的前提下，更適于描述傳熱效果。與耗散極值原理的提出，為傳熱系統的優化提供了新的目標，該目標可以作為系統整體傳熱能力的特性描述。基于耗散率極值的傳熱傳質過程有限時間熱力學優化獲得了不同于熵產率優化結果。基于耗散率極值的構形優化可以較大程度的降低平均傳熱溫差。當熱流密度符合線性分布時，描述系統整體傳熱能力的耗散率與系統局部傳熱性能指標最大溫差具有一定的線性關系。此外，因為傳熱結構的局部傳熱性能和整體傳熱性能并不一定能夠同時達到最優，所以為滿足工程實際的需求，在傳熱結構的優化中，需進一步考慮兼顧局部傳熱性能和整體傳熱性能的優化。對于實際工程傳熱結構，也可考慮加入傳熱的安全性約束進行優化。

來源出版物：科學通報, 2012, 57(30): 2815-2835

入選年份：2015