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两有限势库内可逆广义机最大广义输出的最优构型

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中国科学：技术科学 2020年第3期50卷 276-286页

作者：夏少军陈林根冯辉君海军工程大学动力工程学院武汉430033 武汉工程大学热科学与动力工程研究所武汉430205 武汉工程大学机电工程学院武汉430205

寻求普适的优化结果是广义热力学优化理论研究的重要目标之一.前人对于热机、化学机、电池做功电路和商业机等循环的动态优化研究均仅限于具体学科的研究对象,研究结论有其独特的学科适用范围,无法揭示这些不同学科内研究对象和研究结... 详细信息

寻求普适的优化结果是广义热力学优化理论研究的重要目标之一.前人对于热机、化学机、电池做功电路和商业机等循环的动态优化研究均仅限于具体学科的研究对象,研究结论有其独特的学科适用范围,无法揭示这些不同学科内研究对象和研究结论之间的共性规律.本文在回顾现有热力化学循环动态优化研究文献的基础上,基于广义热力学优化理论的研究思路,首先建立了两有限势库内可逆广义机的物理模型,形成了相应的动态优化问题,即在广义位移守恒方程约束下求解广义机循环广义输出最大化及与之对应的循环最优构型.然后,分别应用欧拉-拉格朗日方程和平均最优控制理论导出了普适的优化结果,并基于普适结果得到了广义流率和广义速率间满足3种特定关系时更为简化的优化结果.接着,进一步讨论了上述研究结果和结论在热力循环、等温化学循环、电池做功电路和商业机循环等特例中的应用.最后,提出了不可逆循环"广义热力学动态优化"的研究思想.本文研究丰富和完善了广义热力学优化理论.

关键词：广义热力学优化内可逆有限势库广义机循环广义输出最大化最优构型热力循环化学机循环电池做功电路商业机

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不可逆循环的广义热力学动态优化研究进展

中国科学：技术科学 2019年第11期49卷 1223-1267页

作者：陈林根夏少军冯辉君武汉工程大学热科学与动力工程研究所武汉430205 武汉工程大学机电工程学院武汉430205 海军工程大学动力工程学院武汉430033

本文在简要回顾有限时间热力学、熵产生最小化理论、理论、广义热力学优化理论的基础上,从理论热力循环(包括恒温热源理论热机循环,变温热源理论热机循环,串接、联合和多热源理论热机循环,具有非均匀工质的理论热机循环,多级热力循环)... 详细信息

本文在简要回顾有限时间热力学、熵产生最小化理论、理论、广义热力学优化理论的基础上,从理论热力循环(包括恒温热源理论热机循环,变温热源理论热机循环,串接、联合和多热源理论热机循环,具有非均匀工质的理论热机循环,多级热力循环)、理论化学机循环(包括单级等温化学机循环,单级非等温化学机循环,多级等温化学机循环,多级非等温化学机循环)、工程热力与化学循环(包括活塞式加热气缸膨胀过程,内燃机循环,光驱动发动机循环)、商业机循环等不可逆循环动态优化研究方面介绍了广义热力学优化理论的研究进展,最后指出除在研究对象范围和研究内容方面进一步拓展与细化外,追求物理模型的统一性、优化方法的通用性和优化结果的普适性是广义热力学优化理论的另一重要发展趋势,包括建立广义机模型.

关键词：有限时间热力学广义热力学优化理论最优控制不可逆循环热机循环化学机循环商业机循环广义机循环

基于(火积)理论的轧钢加热炉壁变截面绝热层构形优化

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物理学报 2015年第5期64卷 257-263页

作者：冯辉君陈林根谢志辉孙丰瑞海军工程大学热科学与动力工程研究室海军工程大学舰船动力工程军队重点实验室海军工程大学动力工程学院武汉430033

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... 详细信息

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.

关键词：构形理论火积耗散率最小变截面绝热层广义热力学优化

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非均匀产热“盘-点”导热构形设计

工程热物理学报 2019年第9期40卷 2137-2142页

作者：尤江陈林根冯辉君海军工程大学动力工程学院武汉430033 武汉工程大学热科学与动力工程研究所武汉430205 武汉工程大学机电工程学院武汉430205

建立非均匀产热“盘-点”导热模型,以[火积]耗散率最小为目标,分别对辐射状圆盘、恒截面高导热通道树状圆盘和变截面高导热通道树状圆盘进行构形优化,在不同产热分布条件下得到圆盘产热体的最优构形,分析非均匀产热系数和宽度系数等参... 详细信息

建立非均匀产热“盘-点”导热模型,以[火积]耗散率最小为目标,分别对辐射状圆盘、恒截面高导热通道树状圆盘和变截面高导热通道树状圆盘进行构形优化,在不同产热分布条件下得到圆盘产热体的最优构形,分析非均匀产热系数和宽度系数等参数对构形优化结果的影响。结果表明:对于恒截面高导热通道树状圆盘,在总产热量恒定的情况下,靠近冷源位置处产热量越大,茎趋向于粗长,而分支趋向于细短,即产热量相对较大的区域布置较多的高导热材料可降低产热体[火积]耗散率,降低传热的等效温差,并提高树状圆盘导热性能。当树状圆盘内包含的单元体数目小于9时,树状圆盘有简化为辐射状圆盘的趋势;当圆盘产热体包含20个单元体时,辐射状圆盘单元体内无量纲[火积]耗散率为0.00369;恒截面高导热通道树状圆盘单元体内二次最小无量纲[火积]耗散率为0.00329;而变截面高导热通道树状圆盘单元体内三次最小无量纲[火积]耗散率为0.00328,因此采用变截面高导热通道树状结构可进一步降低产热体内的[火积]耗散,提升其导热性能。所得优化结果可为电子器件的散热优化设计提供理论指导。

关键词：构形理论 “盘-点”导热非均匀产热 [火积]理论广义热力学优化

微、纳米尺度下基于构形理论的树状圆盘整体导热性能优化

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工程热物理学报 2014年第3期35卷 557-562页

作者：冯辉君陈林根谢志辉孙丰瑞海军工程大学热科学与动力工程研究室湖北武汉430033 海军工程大学舰船动力工程军队重点实验室湖北武汉430033 海军工程大学动力工程学院湖北武汉430033

基于构形理论,以(火积)耗散率最小为优化目标,在微、纳米尺度下对树状圆盘导热问题进行构形优化,得到整体导热性能最优的树状圆盘最优构形.结果表明:在微、纳米尺度下,尺寸效应影响下的树状圆盘构造体最优构形与无尺寸效应影响时的树状... 详细信息

基于构形理论,以(火积)耗散率最小为优化目标,在微、纳米尺度下对树状圆盘导热问题进行构形优化,得到整体导热性能最优的树状圆盘最优构形.结果表明:在微、纳米尺度下,尺寸效应影响下的树状圆盘构造体最优构形与无尺寸效应影响时的树状圆盘构造体最优构形有明显区别.存在高导热材料最佳单元体占比使得树状圆盘无量纲平均传热温差取得最小值.对于3种结构形式(nn、nb和bb)的树状圆盘,其无量纲临界半径分别为1.16、1.45和1.75.当树状圆盘半径大于临界半径时,圆盘高导热材料需采用树状布置,反之则采用辐射状布置.基于(火积)耗散率最小的树状圆盘导热构形优化能够降低圆盘构造体的平均传热温差,提高其整体传热性能.

关键词：构形理论煨耗散率最小化树状圆盘微纳米尺度广义热力学优化

对流和辐射边界条件下轧钢加热炉壁绝热层(火积)构形优化

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科学通报 2014年第20期59卷 1417-1422页

作者：冯辉君陈林根谢志辉孙丰瑞海军工程大学热科学与动力工程研究室武汉430033 海军工程大学舰船动力工程军队重点实验室武汉430033 海军工程大学动力工程学院武汉430033

基于绝热过程(火积)耗散极值原理,以耗散率最小为优化目标,在对流传热和辐射传热边界条件下,对轧钢加热炉壁平板绝热层进行构形优化,得到平板绝热层的最优构形.结果表明:对流传热边界条件时,(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与热损失... 详细信息

基于绝热过程(火积)耗散极值原理,以耗散率最小为优化目标,在对流传热和辐射传热边界条件下,对轧钢加热炉壁平板绝热层进行构形优化,得到平板绝热层的最优构形.结果表明:对流传热边界条件时,(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与热损失率最小的绝热层最优构形是明显不同的.(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与热损失率最小的绝热层最优构形相比,(火积)耗散率降低了5.98%,从而使得其整体绝热性能得到提高.对流与辐射复合传热边界条件时,绝热层厚度线性增大的布置方式与等厚度绝热层和厚度线性减小的布置方式相比,绝热层(火积)耗散率分别降低了16.59%和39.72%,从而使得绝热层整体绝热性能大大提高.存在最佳常系数a2,opt使得绝热层无量纲(火积)耗散率取得最小值.绝热层最小无量纲(火积)耗散率和最大温度梯度最小值对应的最佳常系数a2,opt相差不大,这使得(火积)耗散率最小的绝热层最优构形对应的热应力也较小,从而在提高绝热层整体绝热性能的同时也有助于提高其热安全性.本文所得结果能从传热优化角度为绝热层的优化设计提供参考.

关键词：构形理论 (火积)耗散率对流传热对流与辐射复合传热平板绝热层广义热力学优化

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积耗散率最小的圆柱形构造体传质构形优化

工程热物理学报 2013年第5期34卷 947-951页

基于构形理论,以质量积耗散率最小为优化目标,在构造体总体积和高渗透性材料一定的条件下,对基于环形高渗透性通道的圆柱形构造体进行传质构形优化,得到无量纲平均压差最小的圆柱体构造体最优构形。结果表明:存在最佳高渗透性通道尺寸比... 详细信息

基于构形理论,以质量积耗散率最小为优化目标,在构造体总体积和高渗透性材料一定的条件下,对基于环形高渗透性通道的圆柱形构造体进行传质构形优化,得到无量纲平均压差最小的圆柱体构造体最优构形。结果表明:存在最佳高渗透性通道尺寸比(D_1/D_0)_(opt)和最佳圆柱形构造体径高比(H_0/H_1)_(oo)使得圆柱形构造体的无量纲平均压差取得二次最小值。增加单元体数目n有助于提高圆柱形构造体的传质性能;当n>5时,其传质性能提高幅度很小,此时增加单元体数目对其传质性能改善不明显。基于质量积耗散率最小所得到的圆柱形构造体最优构形能够降低构造体的平均传质压差,改善其整体传质性能。

关键词：构形理论质量积耗散率最小化圆柱形构造体传质构形优化广义热力学优化

太阳能海洋热能转换系统中平板集热器构形设计

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中国科学：技术科学 2022年第3期52卷 403-414页

作者：石俊朝冯辉君陈林根戈延林武汉工程大学热科学与动力工程研究所武汉430205 湖北省绿色化工装备工程技术研究中心武汉430205 海军工程大学动力工程学院武汉430033 武汉工程大学机电工程学院武汉430205

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... 详细信息

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.

关键词：构形理论平板太阳能集热器海水出口温度泵功率复合函数广义热力学优化

叶形四边形产热体[火积]耗散率最小导热构形优化

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中国科学：技术科学 2022年第7期52卷 1111-1120页

作者：朱鸿威陈林根冯辉君戈延林武汉工程大学热科学与动力工程研究所武汉430205 湖北省绿色化工装备工程技术研究中心武汉430205 武汉工程大学机电工程学院武汉430205

将构形理论与[火积]理论相结合,对已有文献建立的基于常见叶脉形仿生四边形的叶形四边形产热体进行了研究.导出了[火积]耗散率最小时叶形四边形产热体的最优构形,研究了分支高导热材料划分的区间数n和分支高导热材料与中心高导热材料的... 详细信息

将构形理论与[火积]理论相结合,对已有文献建立的基于常见叶脉形仿生四边形的叶形四边形产热体进行了研究.导出了[火积]耗散率最小时叶形四边形产热体的最优构形,研究了分支高导热材料划分的区间数n和分支高导热材料与中心高导热材料的夹角θ对叶形四边形产热体最优构形的影响,比较了叶形四边形产热体在[火积]耗散率最小和最大温差最小下的构形差异.结果表明:叶形四边形产热体在[火积]耗散率最小时的最优构形下平均传热温差最小;随着区间数(n≥20)的增加,叶形四边形产热体的最优长宽比和最小平均温差略微下降,因此增加产热体内高导热通道的复杂程度能降低平均传热温差;叶形四边形产热体以[火积]耗散率和最大温差为优化目标的最优构形有区别,但都在分支高导热材料垂直于中心高导热材料时最佳,且[火积]耗散率最小下的平均温差更小,因此以[火积]耗散率最小为优化目标能更有效地降低产热体内的平均传热温差.

关键词：构形理论 [火积]理论叶形四边形产热体热传导最优构形广义热力学优化