综合

理论及其应用的进展

陈林根

摘要：目的：近30年来，传热优化的基础理论获得了长足的进步，代表性的有有限时间热力学、场协同原理、构形理论和理论等。这些理论的提出，促进了热力学与传热学的发展；特别是和耗散极值原理的提出，为传热优化开辟了新的方向。本文回顾了理论的产生与发展过程，从导热、对流换热、辐射传热、换热器设计、传质等方面介绍了理论的研究进展。重点围绕耗散率与熵产率的异同点比较分析、耗散极值原理与有限时间热力学相结合、耗散极值原理与导热构形优化相结合、耗散极值原理与对流构形优化相结合等四个方面，阐述了耗散极值原理的科学性。方法：在耗散率与熵产率异同点的分析中，分别从物理意义和传热效果方面来进行比较。在理论与有限时间热力学相结合的研究中，在牛顿传热定律和广义辐射传热定律下对换热器换热过程和液-固相变过程进行耗散率最小的优化，在菲克扩散传质定律下对单向等温传质过程进行积耗散最小的优化。在理论与导热构形优化相结合的研究中，在上级构形最优和释放上级构形最优的条件下对定截面和变截面高导热通道的不同外形构造体进行耗散率最小的优化，对辐射状和树网状高导热通道的圆盘构造体、不加和添加高导热翅片的套管换热器、给定和释放磁场强度约束条件的电磁体以及内部产热和外部加热的冷却空腔进行耗散率最小的优化。在理论与对流构形优化相结合的研究中，对矩形构造体内冷却流道进行耗散率和流阻最小的优化，对各种肋片和蒸汽发生器进行耗散率最小的优化。结果：理论与有限时间热力学相结合的优化研究表明，在牛顿传热规律下耗散最小时的换热器热、冷流体热流密度为常数，线性唯象传热定律下温度之比为常数，这与熵产生最小时的优化结果明显不同；在耗散最小最优换热策略下，凝固过程的相变边界移动速度随相变位置的变化规律和相变边界随时间的变化规律与熔化过程相应的变化规律是相同的，而在熵产生最小最优换热策略下这一变化规律则是不同的；积耗散最小时的单向等温传质过程最优传质策略为高、低浓度侧关键组分浓度之差的平方与低浓度侧惰性成分浓度的乘积为常数，而对应于熵产生最小时两者之比为常数。理论与导热构形优化相结合的优化研究表明，基于耗散率最小的构形可以较大程度的降低平均传热温差；当高传导材料中热流密度不符合线性分布时，基于耗散率最小的最优构形与基于最大温差最小的最优构形不同；在较大的圆盘半径下，耗散率最小的圆盘构造体平均温差要远低于最大温差最小的平均温差，明显地改善了传热性能；没有高导热翅片时套管换热器的导热性能随着套管内径的增加而增加，适量的添加高导热翅片可以较好的改善换热器性能；由于电磁体内部热流线性分布，基于最大温差与磁场强度相结合的复合优化目标函数和基于耗散率与磁场强度相结合的复合优化目标函数，优化所得结果基本一致；随着占空比和长宽比值的增大，以最大热阻最小和当量热阻优化最小所得冷却空腔的优化结果区别越大。理论与对流构形优化相结合的优化研究表明，矩形冷却流道构造体越贴近实际，基于耗散率最小的各级构造体总流阻降低的幅度越大；以当量热阻最小为目标的优化比以最大热阻最小为目标的优化，能够显著降低各种肋片体内的传热平均温差；以耗散率最大为目标的优化比以传热率最大为目标的优化，能够明显提高蒸汽发生器的整体传热性能。结论：理论为传热优化提供了不同于熵产生最小化的新的理论基础。耗散率与熵产率相比较，在不以做功能力损失最小为目标的前提下，更适于描述传热效果。与耗散极值原理的提出，为传热系统的优化提供了新的目标，该目标可以作为系统整体传热能力的特性描述。基于耗散率极值的传热传质过程有限时间热力学优化获得了不同于熵产率优化结果。基于耗散率极值的构形优化可以较大程度的降低平均传热温差。当热流密度符合线性分布时，描述系统整体传热能力的耗散率与系统局部传热性能指标最大温差具有一定的线性关系。此外，因为传热结构的局部传热性能和整体传热性能并不一定能够同时达到最优，所以为满足工程实际的需求，在传热结构的优化中，需进一步考虑兼顾局部传热性能和整体传热性能的优化。对于实际工程传热结构，也可考虑加入传热的安全性约束进行优化。

来源出版物：科学通报, 2012, 57(30): 2815-2835

入选年份：2015