对流传递过程的不可逆性及其优化

论文摘要

热量、质量和动量传递是能源利用中的重要环节,传递过程性能的提高对节能减排意义重大。基于这些传递现象的类比性,本文引入了质量积和动量积的概念,分别代表介质中质量扩散和动量扩散的能力;定义了质量积和动量积的耗散函数;举例说明了积(热量积、质量积和动量积)的耗散而并非熵产是不涉及热功转换的传递过程不可逆性的量度;提出了最小积耗散原理就是传递过程的最小作用量原理的观点,并导出了输运系数为常数的牛顿粘性定律、傅立叶导热定律和菲克扩散定律,表明这些定律本身反映的就是最优的传递过程。为了揭示对流换热的热力学优化与传递过程优化的差别,用积耗散极值原理和熵产最小原理分别导出了对流换热性能最佳时流体速度场所需满足的相应欧拉方程。对圆管层流换热优化的结果表明,积耗散极值原理更适合于与热功转换无关的对流换热过程的优化。通过定义了湍流换热中的热量积及其耗散函数,以及采用零方程湍流模型导得了泵功给定时湍流换热性能最优的速度场需满足的欧拉方程,从而把层流换热中的热量积耗散极值原理推广至湍流换热。对平行平板通道内湍流换热的优化结果表明了微肋管能有效强化湍流换热,指出了不同Re下微肋的最佳高度。将对流换热的场协同理论推广到对流传质过程,导得了对流传质的场(速度场与组分浓度梯度场)协同方程,即为质量积耗散取极值时需满足的用于对流传质优化的欧拉方程。利用空气与水的对流传质实验验证了对流传质场协同理论,并将其用于空间站实验舱内通风排污过程和光催化反应器内对流传质过程的优化。结果表明,采用集中进风代替均匀进风,舱内污染物浓度最大值从0.47%降为0.22%;双斜内肋板式反应器比平板反应器的排污效率高22%。将对流换热的场协同理论也推广到流动过程,导得了流动过程的场(速度场和速度梯度场)协同方程,即为动量积耗散取极值时需满足的用于流动过程优化的欧拉方程。将其用于并联通道流和稠油输运过程的优化结果表明,设置适当的导流片使流动阻力减小了5%;管内形成多纵向涡的流动结构使稠油保温输运过程中的粘性耗散降低了19%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 概述
• 1.2 对流传递技术的研究
• 1.2.1 对流换热强化技术的研究
• 1.2.2 室内污染物控制技术的研究
• 1.2.3 流动减阻技术的研究
• 1.2.4 对流传递理论和技术研究的不足
• 1.3 传递过程优化理论的研究
• 1.3.1 熵产最小原理与对流换热的热力学优化
• 1.3.2 场协同原理与对流换热的优化
• 1.3.3 热量积耗散与传热过程的优化
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 传递过程的不可逆性和最小作用量原理
• 2.1 传递过程的线性输运定律
• 2.2 传递过程的熵产分析
• 2.3 物体传递能力的度量——积
• 2.4 扩散过程的不可逆性
• 2.4.1 热量扩散过程
• 2.4.2 质量扩散过程
• 2.4.3 动量扩散过程
• 2.5 对流传递过程的不可逆性
• 2.5.1 对流换热过程
• 2.5.2 对流传质过程
• 2.5.3 流动过程
• 2.6 最小作用量原理
• 2.7 传递过程的最小作用量原理
• 2.8 小结
• 第3章 对流换热过程的优化
• 3.1 对流换热优化与热量积耗散极值原理
• 3.2 对流换热优化与熵产最小原理
• 3.3 热量积耗散极值原理与熵产最小原理的优化结果对比
• 3.3.1 物理模型及数值计算方法
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.4 通道湍流换热过程的优化
• 3.4.1 湍流换热的热量积耗散极值原理
• 3.4.2 零方程湍流模型的验证
• 3.4.3 平板间湍流换热过程的优化
• 3.5 对流换热优化热量积耗散极值原理的直观表述——最小热阻原理
• 3.6 小结
• 第4章 对流传质过程的优化
• 4.1 对流传质优化的场协同原理
• 4.2 对流传质优化的质量积耗散极值原理
• 4.3 对流传质优化的场协同原理和质量积耗散极值原理的验证
• 4.3.1 等壁面浓度边界条件
• 4.3.2 等壁面质量流边界条件
• 4.4 质量积耗散极值原理的应用
• 4.4.1 含人体污染源的空间站实验舱通风排污过程优化
• 4.4.2 光催化反应器的性能优化与实验验证
• 4.5 湍流传质过程的优化及实验验证
• 4.5.1 湍流传质过程的场协同原理
• 4.5.2 湍流传质过程的质量积及其耗散
• 4.5.3 实验系统结构
• 4.5.4 数值计算方法
• 4.5.5 结果与讨论
• 4.6 小结
• 第5章 流动过程的优化
• 5.1 流动过程优化的场协同原理
• 5.2 流动过程优化的动量积耗散极值原理
• 5.3 并联流动通道内流体流动过程优化
• 5.4 变粘度条件下的动量积耗散极值原理
• 5.5 稠油保温输运过程优化
• 5.6 高低温稠油混合输运过程优化
• 5.7 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果