对流传热强化的最小作用量原理分析

论文摘要

对流传热强化技术是广泛应用于国民经济的各类行业部门,能够节能降耗并促进和适应高热流场合的重大关键技术。对流传热强化的根本任务是实现传热过程的最优设计和控制。对流传热过程的强化目标可以归结为降低过程的不可逆性。熵产和耗散是用于表征对流传热过程不可逆性的两个关键物理量,因此强化传热研究的目标可以归结为寻求降低熵产或耗散的方法。为了建立强化传热技术的系统性理论,最小作用量原理和场协同的概念被引入了传热学的研究。场协同理论尝试从流场和温度场配合的角度统一解释各类强化传热的物理机制,得到许多有益的结论,但是该理论没能指出实现优化流场的具体途径。本文从最小作用量原理和场协同的角度综合比较分析了折流杆、旋流片和空心环这三种元件强化传热的机理,发现耗散量随雷诺数的变化趋势与平均努塞尔数一致,场协同理论在关注强化传热的同时没有考虑流动阻力的影响。最小熵产原理和耗散原理的研究受到广泛关注。特别是目前基于耗散的概念建立起来的泛函优化模型及其变分原理被认为是指导对流传热强化的最优化原则。在这些泛函优化模型中,一类是熵产、耗散分别被作为目标函数,流动功耗和粘性耗散分别被作为积分约束条件,另一类则是流动功耗和粘性耗散分别被作为目标函数,耗散被作为积分型约束条件。泛函优化模型的变分驻值条件归结为场协同方程组,该方程组被认为是描述对流传热最优流场的控制方程组。针对目前出现的这些最小作用量原理及其泛函优化模型,本文综合运用理论分析和数值模拟方法从其泛函模型的物理意义、建立途径以及求解方法等方面进行了详细的综合对比和分析,发现这些变分原理对于对流换热均有不同程度的强化,但是都仅在特定的严格条件下才成立。同时,场协同方程组并不是完整的变分驻值条件,其求解一般用近似解法,而所得结果尚不能确定为最优解。目前对流传热强化的最小作用量原理及其泛函优化模型尚需进一步完善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 对流传热强化技术研究现状
• 1.2.1 强化传热技术发展和分类
• 1.2.2 强化传热技术的评价准则
• 1.2.3 强化传热技术的研究方法
• 1.3 对流传热强化理论研究进展
• 1.3.1 最小作用量原理
• 1.3.2 协同学原则和场协同理论
• 1.3.3 最小作用量原理和协同学原则的关系
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 对流传热强化的最小作用量原理
• 2.1 热学中的最小作用量原理
• 2.2 以熵产为最小作用量的热力学优化原理
• 2.2.1 最小熵产原理的函数优化模型
• 2.2.2 最小熵产原理的泛函优化模型
• 2.3 以（?）耗散为最小作用量的传热学优化原理
• 2.3.1 （?）耗散极值原理的泛函优化模型
• 2.3.2 （?）耗散极值原理的函数优化模型
• 2.4 以流阻特征为最小作用量的流动优化原理
• 2.5 最小作用量原理的泛函模型对比
• 2.6 本章小结
• 第3章 纵流换热器壳侧传热性能数值研究
• 3.1 数值计算模型
• 3.2 模拟结果分析
• 3.2.1 折流杆支撑
• 3.2.2 旋流片支撑
• 3.2.3 空心环支撑
• 3.3 综合分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 最小作用量原理强化对流换热的数值研究
• 4.1 数值计算模型
• 4.2 以熵产为最小作用量的热力学优化原理分析
• 4.3 以（?）耗散为最小作用量的传热学优化原理分析
• 4.4 以流阻特征为最小作用量的流动优化原理分析
• 4.5 最小作用量原理的统一分析
• 4.5.1 数值模拟结果的综合比较
• 4.5.2 场协同方程组相似性分析
• 4.5.3 变分驻值条件完整性分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢