理論及其應(yīng)用的進(jìn)展

陳林根

摘要：目的：近30年來，傳熱優(yōu)化的基礎(chǔ)理論獲得了長足的進(jìn)步，代表性的有有限時(shí)間熱力學(xué)、場協(xié)同原理、構(gòu)形理論和理論等。這些理論的提出，促進(jìn)了熱力學(xué)與傳熱學(xué)的發(fā)展；特別是和耗散極值原理的提出，為傳熱優(yōu)化開辟了新的方向。本文回顧了理論的產(chǎn)生與發(fā)展過程，從導(dǎo)熱、對(duì)流換熱、輻射傳熱、換熱器設(shè)計(jì)、傳質(zhì)等方面介紹了理論的研究進(jìn)展。重點(diǎn)圍繞耗散率與熵產(chǎn)率的異同點(diǎn)比較分析、耗散極值原理與有限時(shí)間熱力學(xué)相結(jié)合、耗散極值原理與導(dǎo)熱構(gòu)形優(yōu)化相結(jié)合、耗散極值原理與對(duì)流構(gòu)形優(yōu)化相結(jié)合等四個(gè)方面，闡述了耗散極值原理的科學(xué)性。方法：在耗散率與熵產(chǎn)率異同點(diǎn)的分析中，分別從物理意義和傳熱效果方面來進(jìn)行比較。在理論與有限時(shí)間熱力學(xué)相結(jié)合的研究中，在牛頓傳熱定律和廣義輻射傳熱定律下對(duì)換熱器換熱過程和液-固相變過程進(jìn)行耗散率最小的優(yōu)化，在菲克擴(kuò)散傳質(zhì)定律下對(duì)單向等溫傳質(zhì)過程進(jìn)行積耗散最小的優(yōu)化。在理論與導(dǎo)熱構(gòu)形優(yōu)化相結(jié)合的研究中，在上級(jí)構(gòu)形最優(yōu)和釋放上級(jí)構(gòu)形最優(yōu)的條件下對(duì)定截面和變截面高導(dǎo)熱通道的不同外形構(gòu)造體進(jìn)行耗散率最小的優(yōu)化，對(duì)輻射狀和樹網(wǎng)狀高導(dǎo)熱通道的圓盤構(gòu)造體、不加和添加高導(dǎo)熱翅片的套管換熱器、給定和釋放磁場強(qiáng)度約束條件的電磁體以及內(nèi)部產(chǎn)熱和外部加熱的冷卻空腔進(jìn)行耗散率最小的優(yōu)化。在理論與對(duì)流構(gòu)形優(yōu)化相結(jié)合的研究中，對(duì)矩形構(gòu)造體內(nèi)冷卻流道進(jìn)行耗散率和流阻最小的優(yōu)化，對(duì)各種肋片和蒸汽發(fā)生器進(jìn)行耗散率最小的優(yōu)化。結(jié)果：理論與有限時(shí)間熱力學(xué)相結(jié)合的優(yōu)化研究表明，在牛頓傳熱規(guī)律下耗散最小時(shí)的換熱器熱、冷流體熱流密度為常數(shù)，線性唯象傳熱定律下溫度之比為常數(shù)，這與熵產(chǎn)生最小時(shí)的優(yōu)化結(jié)果明顯不同；在耗散最小最優(yōu)換熱策略下，凝固過程的相變邊界移動(dòng)速度隨相變位置的變化規(guī)律和相變邊界隨時(shí)間的變化規(guī)律與熔化過程相應(yīng)的變化規(guī)律是相同的，而在熵產(chǎn)生最小最優(yōu)換熱策略下這一變化規(guī)律則是不同的；積耗散最小時(shí)的單向等溫傳質(zhì)過程最優(yōu)傳質(zhì)策略為高、低濃度側(cè)關(guān)鍵組分濃度之差的平方與低濃度側(cè)惰性成分濃度的乘積為常數(shù)，而對(duì)應(yīng)于熵產(chǎn)生最小時(shí)兩者之比為常數(shù)。理論與導(dǎo)熱構(gòu)形優(yōu)化相結(jié)合的優(yōu)化研究表明，基于耗散率最小的構(gòu)形可以較大程度的降低平均傳熱溫差；當(dāng)高傳導(dǎo)材料中熱流密度不符合線性分布時(shí)，基于耗散率最小的最優(yōu)構(gòu)形與基于最大溫差最小的最優(yōu)構(gòu)形不同；在較大的圓盤半徑下，耗散率最小的圓盤構(gòu)造體平均溫差要遠(yuǎn)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(dǎo)熱翅片時(shí)套管換熱器的導(dǎo)熱性能隨著套管內(nèi)徑的增加而增加，適量的添加高導(dǎo)熱翅片可以較好的改善換熱器性能；由于電磁體內(nèi)部熱流線性分布，基于最大溫差與磁場強(qiáng)度相結(jié)合的復(fù)合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和基于耗散率與磁場強(qiáng)度相結(jié)合的復(fù)合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化所得結(jié)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(dāng)量熱阻優(yōu)化最小所得冷卻空腔的優(yōu)化結(jié)果區(qū)別越大。理論與對(duì)流構(gòu)形優(yōu)化相結(jié)合的優(yōu)化研究表明，矩形冷卻流道構(gòu)造體越貼近實(shí)際，基于耗散率最小的各級(jí)構(gòu)造體總流阻降低的幅度越大；以當(dāng)量熱阻最小為目標(biāo)的優(yōu)化比以最大熱阻最小為目標(biāo)的優(yōu)化，能夠顯著降低各種肋片體內(nèi)的傳熱平均溫差；以耗散率最大為目標(biāo)的優(yōu)化比以傳熱率最大為目標(biāo)的優(yōu)化，能夠明顯提高蒸汽發(fā)生器的整體傳熱性能。結(jié)論：理論為傳熱優(yōu)化提供了不同于熵產(chǎn)生最小化的新的理論基礎(chǔ)。耗散率與熵產(chǎn)率相比較，在不以做功能力損失最小為目標(biāo)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(tǒng)的優(yōu)化提供了新的目標(biāo)，該目標(biāo)可以作為系統(tǒng)整體傳熱能力的特性描述?；诤纳⒙蕵O值的傳熱傳質(zhì)過程有限時(shí)間熱力學(xué)優(yōu)化獲得了不同于熵產(chǎn)率優(yōu)化結(jié)果?；诤纳⒙蕵O值的構(gòu)形優(yōu)化可以較大程度的降低平均傳熱溫差。當(dāng)熱流密度符合線性分布時(shí)，描述系統(tǒng)整體傳熱能力的耗散率與系統(tǒng)局部傳熱性能指標(biāo)最大溫差具有一定的線性關(guān)系。此外，因?yàn)閭鳠峤Y(jié)構(gòu)的局部傳熱性能和整體傳熱性能并不一定能夠同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，所以為滿足工程實(shí)際的需求，在傳熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化中，需進(jìn)一步考慮兼顧局部傳熱性能和整體傳熱性能的優(yōu)化。對(duì)于實(shí)際工程傳熱結(jié)構(gòu)，也可考慮加入傳熱的安全性約束進(jìn)行優(yōu)化。

來源出版物：科學(xué)通報(bào), 2012, 57(30): 2815-2835

入選年份：2015