摘要：将有限时间热力学、构形理论和(火积)理论等现代热学理论与冶金流程工程学相结合,提出钢铁生产流程广义热力学优化理论.在搭建钢铁流程能耗排放仿真平台和建立分析与生命周期评价结合的物流-能流-环境作用评价方法的基础上,基于钢铁生产流程广义热力学优化理论对单体组件、工序模块、功能子系统和流程进行物流-能流-环境作用机理研究,并开展多学科、多目标的广义热力学优化.优化后流程和工艺的选择、物流和能流的分配、余能余热综合利用更加合理,流程系统得到集成、运行调控更加合理,物流-能流-环境得到综合协调,实现流程能源的高效配置和余能的梯级利用,系统能耗和排放显著降低.本文通过探索钢铁生产流程高效、节能、减排技术途径为钢铁联合企业能源环保中心的设计运行提供了理论支撑,也为一般物质转化过程高效节能的相关共性问题的解决提供了研究平台,奠定了科学和技术基础.

摘要：建立了一类在均匀产热的圆柱发热体中嵌入圆截面等温液冷通道的热源-热沉集成模型,基于构形理论,给定圆柱发热体截面积和通道截面积占比为约束条件,以液冷通道数及其半径为设计变量,研究了液冷通道分布对集成模型散热能力的影响,获得了不同液冷通道截面积占比下的最优构形。当通道截面积占比和通道数给定时,均存在最优的圆心距使得热源-热沉整体的散热性能最优,但对应两个指标的最优圆心距不同。给定通道截面积占比时,无量纲最高温度和无量纲当量热阻均随通道数的增加而降低;给定通道数时,无量纲最高温度和无量纲当量热阻均随通道截面积占比的增加而降低。本文所得研究结果可对圆柱器件高效冷却的热设计提供理论指导。

摘要：集热器是太阳能海洋热能转换系统进行热量收集的重要设备.本文以平板太阳能集热器为研究对象,建立考虑海水出口温度和总泵功率的线性加权复合函数,在吸热板总体积和换热管体积一定的条件下以复合函数最小为目标对其进行构形优化,得到最小复合函数和换热管最佳内径.结果表明,构形优化后的集热器总泵功率和复合函数分别比初始设计点对应值降低了66.89%和5.56%,海水出口温度降低了8.9%.这说明复合函数牺牲了一定的传热性能,使得集热器的流动性能得到很大的改善,最终使得平板集热器的综合性能得到提高.随着单板宽度、太阳辐射强度、海水入口温度、吸热板热导率和集热器单元数的增大与总海水质量流率的减小,最小复合函数减小.将构形理论应用到平板太阳能集热器的构形优化中,为其结构优化设计提供了新的指导,这一方法可进一步推广到太阳能海洋温差发电系统的优化设计中.

摘要：本文建立了矩形直肋热沉与圆柱针肋相结合的翅针单列热沉构形优化模型,在给定热沉占空体积和针肋材料体积的约束条件下,给定热沉底面温度,以换热率最大化为目标对翅针单列热沉进行了构形优化。结果表明:与矩形直肋热沉相比,翅针单列热沉的换热性能得到了很大提高;不同的材料占比、入口速度和肋高比条件下,热沉最优构形不同。本文的研究结果可为实际热沉的热设计及使用提供科学依据和理论指导。

摘要：基于构形理论,建立了二维射流通道内导热基座上方柱离散热源的散热优化模型.给定离散热源的总纵截面面积和热源高度为约束条件,以系统最高温度和熵产率为优化目标,以各热源的长度比为优化变量进行了几何设计,并分析了射流速度和热源间距对热源最优构形的影响.当射流速度和热源间距给定时,均存在最优长度比使系统最高温度和熵产率最低,但对应不同射流速度和热源间距的最优长度比不同.研究结果可为方柱发热器件的热设计提供理论指导.

摘要：基于构形理论,建立二维射流通道内导热基座上双侧方柱离散热源的散热模型,以离散热源的总纵截面面积和热源高度一定为约束条件,以系统最高温度最小化、温度均匀性因子最小化和温度梯度均匀性因子最小化为目标,以各热源之间的长度比为优化变量,考虑射流速度和热源间距对散热的影响。当热源间距和射流速度给定时,通过改变热源之间的长度比可使系统最高温度、温度均匀性因子和温度梯度均匀性因子不同程度地降低。当热源间距和热源之间的长度比给定时,随着射流速度的增大,系统最高温度、温度均匀性因子和温度梯度均匀性因子亦均不同程度地降低。

摘要：基于构形理论,以基于火积耗散率定义的当量热阻最小为优化目标对复杂肋片进行构形优化,得到同时考虑肋片导热和对流换热火积耗散性能的肋片最优构形,并比较不同形状和不同优化目标下的肋片最优构形.结果表明:存在最佳单元级直肋、中部空腔以及肋片末梢高度和长度比使得复杂肋片当量热阻取得三重最小值.当量热阻最小的复杂肋片最优构形与T-Y形肋片最优构形相比,复杂肋片结构使得肋片整体传热性能大大提高.当肋片传热为二维传热且根部较宽时,肋片根部温度越不均匀,当量热阻最小和最大热阻最小的复杂肋片最优构形差别越大.在保证热安全性的前提下,工程上对肋片进行优化设计时可选择当量热阻最小的肋片构形设计方案以降低其平均传热温差、提高整体传热性能.本文从传热优化角度为复杂肋片的优化设计提供了参考.

摘要：建立了导热基座上圆柱体离散发热器件的三维湍流散热模型,基于构形理论,考虑空气变物性及可压缩性和黏性耗散,研究了器件材料的热导率、热源强度和流体流速对器件最高温度、基于(火积)耗散定义的当量热阻和平均Nu数的影响.结果表明:在总发热功率一定的条件下,以器件最高温度和当量热阻为性能指标进行热设计,均存在最优热源强度分布使得散热性能最优.当各热源强度相同且热源热导率小于基座热导率时,提高热源热导率可明显改善散热性能;将热源热导率沿流动方向从低到高布置可降低器件最高温度,而将热源热导率均匀布置可使当量热阻最小.所得结果可为实际热设计中不同材质和不同发热率的电子器件最优布置提供理论支撑.

摘要：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.

摘要：建立考虑传热耗散率和总泵功率的线性加权复合函数,在总冷凝率和总传热面积一定的条件下以复合函数最小为目标,对有机工质的管壳式冷凝器进行构形优化,得到最小复合函数和冷凝管最佳外径。结果表明:冷凝器最优构形与初始设计结构相比,总耗散率提高了10.70%,而总泵功率和复合函数分别降低了54.94%和6.46%。这说明复合函数牺牲了一定的传热性能,使得冷凝器流动性能显著提高,最终使得其综合性能得到提高。选择合适的冷凝管数目可实现复合函数二次最小化。将理论应用到有机工质管壳式冷凝器的构形优化中,为其结构优化设计提供了新的指导,这一方法可进一步推广到有机工质循环系统的优化设计中。