《瞬態導熱過程的火積分析及其最佳化》是依託清華大學，由徐向華擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：瞬態導熱過程的火積分析及其最佳化
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：徐向華
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
瞬態、高熱流密度散熱是太空飛行器瞬時、大功率電子器件散熱，高超聲速飛行器非燒蝕熱防護等領域發展的瓶頸，鑒於目前對於瞬態導熱過程的最佳化還沒有有效的方法。本研究將在現有[火積]理論的基礎上進一步建立瞬態導熱過程的最佳化原理和準則，研究內容有：（1）推導瞬態導熱過程，以及包含相變的導熱過程中的[火積]耗散極值原理，進而得到其最佳化準則，用於體點導熱問題最佳化，並與熵產最小原理的最佳化結果進行比較；（2）基於瞬態導熱的[火積]耗散極值原理，對典型的瞬態導熱過程，如瞬態體點問題，相變蓄熱中的高導熱材料結構最佳化問題進行最佳化分析，發展新的最佳化算法，用數值方法驗證新算法的有效性；（3）建立瞬態、高熱流密度散熱結構最佳化的模型，運用瞬態導熱最佳化算法進行最佳化求解，得到最佳化的高效散熱結構，與現有方案進行比較；（4）搭建瞬態導熱最佳化實驗台，用實驗方法驗證瞬態導熱的[火積]耗散極值原理及最佳化結果。
結題摘要
瞬態、高熱流密度散熱是航空太空飛行器瞬時、大功率電子器件散熱、大功率雷射器、高超聲速飛行器非燒蝕熱防護等領域發展的瓶頸。除了提高材料耐溫性能，最佳化散熱結構也是非常必要的技術途徑。在傳統的傳熱理論中只有強化傳熱而無最佳化傳熱的概念，過增元等提出的穊理論為傳熱最佳化提供了理論基礎。本研究在現有的穊理論的基礎上研究傳熱最佳化，特別是瞬態傳熱過程最佳化的理論，發展最佳化方法。 課題首先從導熱的變分原理出發，結合穊平衡方程，給出了以系統對外輸出穊流表述的導熱變分原理。從而賦予穊流、穊耗散以明確的物理意義，闡明了內熱源、第二類邊界條件輸入穊流與第一、第三類邊界條件輸入穊流的不同之處。通過處理輻射換熱邊界條件的變分，得到了輻射穊耗散的表達式。然後針對簡單導熱系統的瞬態求解，闡明傳熱過程中的各物理量變化，論述了過程中守恆量和耗散量，對比了穊耗散與熵產在描述瞬態導熱過程的不同，表明穊與穊耗散更適用於描述傳熱過程。 進一步將穊理論擴展到更多的傳遞過程中。我們定義了一類廣義流動，借鑑穊的概念和變分分析方法，定義了其中的積、積流和積耗散，得到了用積表述的變分原理——積極值原理，發展了相應的積耗散極值原理，以套用於廣義流動過程的最佳化。 為了將穊理論用於實際傳熱過程的最佳化，發展了相應的最佳化算法。針對換熱設備中廣泛存在的肋片，提出了基於穊耗散分析的最佳化方法，指出最優肋片形狀對應於導熱和對流過程中的穊耗散極值，並且與加熱面平均溫度最低相一致。在穊分析的基礎上給出了對流換熱肋片形狀最佳化問題的數學表述，將該最佳化問題離散為組合最佳化問題，提出了貪婪演化算法和基於遞歸的遍歷算法，實現了該問題的快速數值求解方法。最佳化結果表明最佳化算法具有很好的性能，還得到了影響肋片形狀的無量綱因子。 此外，基於焓穊的概念，以絕對零度為基準，定義了經歷固、液、氣三相狀態的物質的絕對焓穊。並利用這一概念分析了含有相變換熱的換熱器性能與最佳化。後續還將繼續基於已經得到的最佳化理論發展瞬態傳熱過程的最佳化方法，用於實際換熱設備、換熱過程的最佳化設計。
