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钢铁流程系统的能耗排放特征及其广义热力学优化

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科技创新导报 2016年第29期13卷 183-184页

作者：陈林根冯妍卉姜泽毅谢志辉魏曙寰海军工程大学北京科技大学

钢铁生产流程能源配置技术落后、集成度低。为在整体上实现钢铁生产流程的节能减排,该研究围绕解决对应的关键科学问题"钢铁生产流程物流—能流—环境作用机理及其多目标集成优化理论",在工序模块、单体组件和功能子系统层面开展了前期... 详细信息

钢铁生产流程能源配置技术落后、集成度低。为在整体上实现钢铁生产流程的节能减排,该研究围绕解决对应的关键科学问题"钢铁生产流程物流—能流—环境作用机理及其多目标集成优化理论",在工序模块、单体组件和功能子系统层面开展了前期研究,为实现全流程仿真和优化奠定了基础。主要包括:(1)提出绝热过程火积耗散极值原理,对等温和对流辐射传热边界条件下6种不同形状的加热炉绝热层进行构形优化,得到整体绝热性能最优的绝热层构形。(2)提出"广义构形优化"理论,将火积理论引入板坯连铸凝固传热过程的研究中,分别考虑热损失率和火积耗散率目标,得到同时兼顾板坯内部温度梯度和表面温度梯度的二冷区水量分配最优构形。(3)运用系统动力学原理,构建烧结、炼铁工序的铁素流动态模型,获得不同返回物质流情况下的铁素流整体宏观动态特性。(4)基于"运动参考坐标系",建立烧结矿冷却过程二维非稳态连续模型,获得相应的流场、压力场、温度场特性。(5)基于非线性规划理论建立高炉炼铁过程优化模型,分别以炉腹煤气量指数相关联的高炉利用系数和碳排放为优化目标,研究炉腹煤气量指数等参数和高炉喷吹煤粉、喷吹塑料对优化结果的影响。(6)建立中厚钢板轧后冷却过程数学模型,明晰设计参数和冷却方式对钢板表面和终冷温度的影响。(7)构建以火用为表征参数的特征化模型,以高炉-转炉炼钢、电炉炼钢过程为例,分析钢铁生产流程资源和能源交互作用的耦合关系。(8)建立钢铁生产流程分析模型,计算典型钢铁企业碳、氮、硫等元素向多形态废弃物转换及排放的数量和结构。计算钢铁生产过程的环境负荷数据,得到我国典型钢铁生产过程资源、能源消耗和CO2、SO2、NOx、CO、CH4等排放清单。(9)运用各层次单元之间的物流、能流关系及流程网络重构技术,开发工序能质平衡计算与流程仿真软件。(10)构建具体到工序层次的钢铁生产、加工和消费的全生命周期物质流模型,分析不同情景下中国废钢增长趋势对钢铁流程的结构演变及其能耗和排放的影响。(11)研究铸轧区段生产组织及钢坯热送热装等流程节能技术,提出节能技术优化组合概念,探讨关键技术之间的关联关系和优化组合模式。(12)建立12种钢厂余能余热驱动简单和复杂、闭式和开式燃气轮机动力装置、热电联产装置和热电冷联产装置的经典热力学和有限时间热力学模型并进行性能分析和优化;建立两种钢厂低温余热驱动半导体热电发电机模型并进行数值模拟。明晰各系统的热力学整体特性及基本优化关系,获得各个工序余能余热驱动热力过程和循环的最佳设计方案。

关键词：钢铁生产流程物质流能量流节能减排计算机仿真整体特性广义热力学优化

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圆柱发热体内圆截面液冷通道的构形优化

工程热物理学报 2024年第7期45卷 1908-1916页

作者：李云峰谢志辉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 湖北省绿色化工装备工程技术研究中心武汉430205

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... 详细信息

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。

关键词：构形理论理论电子器件散热热设计广义热力学优化

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热力学优化理论的研究进展

武汉化工学院学报 2002年第1期24卷 81-85页

作者：陈林根孙丰瑞海军工程大学动力工程学院湖北武汉430033

介绍近年来在不可逆热机理论、回热式燃气轮机循环分析、类热机装置分析和广义热力学优化理论研究中的一些进展 ,并简要阐述其发展方向 .

关键词：热力学优化理论研究进展不可逆热机燃气轮机循环广义热力学优化

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

离散发热器件基于(火积)耗散率最小和最高温度最小的构形优化比较

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物理学报 2017年第20期66卷 130-138页

作者：王刚谢志辉范旭东陈林根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

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... 详细信息

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.

关键词：构形理论 [火积]耗散极值原理电子器件冷却广义热力学优化

基于(火积)耗散率最小的复杂肋片对流换热构形优化

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物理学报 2015年第3期64卷 420-426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... 详细信息

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.

关键词：构形理论火积耗散率最小复杂肋片广义热力学优化

基于(火积)耗散率和流阻最小的冷却流道构形优化

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中国科学：技术科学 2011年第9期41卷 251-261页

作者：肖庆华陈林根孙丰瑞海军工程大学研究生院武汉430033

基于构形理论,以(火积)耗散率和流阻最小为优化目标,对由定截面和变截面流道内冷却流体冷却的产热体进行构形优化,分别得到矩形单元体的无量纲平均热阻最小和一级构造体、二级构造体与三级构造体的无量纲总流阻最小时的最优构形.结果表... 详细信息

基于构形理论,以(火积)耗散率和流阻最小为优化目标,对由定截面和变截面流道内冷却流体冷却的产热体进行构形优化,分别得到矩形单元体的无量纲平均热阻最小和一级构造体、二级构造体与三级构造体的无量纲总流阻最小时的最优构形.结果表明,基于(火积)耗散率最小的矩形单元体的最优构形与基于最大温差最小的最优构形的平均传热温差和极限温差都几乎相等.构造体级数较高时,与后者的构造体的最优构形相比,前者的构造体的最优构形可以较大程度的降低最小无量纲总流阻.因此,将(火积)耗散极值原理与对流传热相结合进行构形优化具有极大的优越性.

关键词：构形理论 (火积)耗散率热阻流阻对流换热广义热力学优化

矩形肋片热沉(火积)耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较研究

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物理学报 2015年第20期64卷 234-242页

作者：杨爱波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

针对矩形肋片热沉,分别以最大热阻最小化和基于(火积)耗散定义的当量热阻最小化为优化目标,采用二维传热模型并结合有限元数值仿真对其进行构形优化,比较了两种目标下的热沉最优构形,并分析了全局参数(综合了对流换热系数、肋片占据的... 详细信息

针对矩形肋片热沉,分别以最大热阻最小化和基于(火积)耗散定义的当量热阻最小化为优化目标,采用二维传热模型并结合有限元数值仿真对其进行构形优化,比较了两种目标下的热沉最优构形,并分析了全局参数(综合了对流换热系数、肋片占据的总面积及其热导率的函数)和材料占比对两种目标(最大热阻、当量热阻)及其对应最优构形的影响.结果表明:热沉外形固定时,两种目标下均不存在最优的肋片厚度;热沉外形自由变化时,两种目标下的最优构形存在一定的差异.此外,全局参数对两种目标下的最优构形均没有影响,而材料占比对两种目标下的最优构形均有较大影响.提高全局参数和材料占比均可以减小最大热阻最小值和当量热阻最小值,但对两种目标的减小程度不同.总体上,调节热沉结构参数使当量热阻最小,可以同时获得很好的局部极限性能;而调节热沉结构参数使最大热阻最小,获得的整体平均散热性能却较差.因此,对本文热沉模型进行优化时,以当量热阻最小化为优化目标更合理.

关键词：构形理论 (火积)耗散极值原理热沉广义热力学优化

微、纳米尺度下圆盘(火积)耗散率最小构形优化

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物理学报 2013年第13期62卷 348-354页

作者：陈林根冯辉君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、纳米尺度下对圆盘导热问题进行构形优化,得到尺寸效应影响下的无量纲当量热阻最小的圆盘构造体最优构形.结果表明:在微、纳米尺度下,尺寸效应影响下的圆盘构造体最优构形与无尺寸效应... 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、纳米尺度下对圆盘导热问题进行构形优化,得到尺寸效应影响下的无量纲当量热阻最小的圆盘构造体最优构形.结果表明:在微、纳米尺度下,尺寸效应影响下的圆盘构造体最优构形与无尺寸效应影响时的圆盘构造体最优构形有明显区别.存在最佳无量纲高导热材料通道长度使无量纲当量热阻取得最小值;随着扇形单元体数目的增大,最小无量纲当量热阻先减小后增大,存在最佳的扇形单元体数目使得无量纲当量热阻取得双重最小值,这与常规尺度下圆盘构造体相应的性能特性明显不同.(火积)耗散率最小的圆盘构造体(火积)耗散率比最大温差最小的构造体(火积)耗散率降低了7.31%,也即圆盘构造体的平均传热温差降低了7.31%.微、纳米尺度下基于(火积)耗散率最小的圆盘构造体最优构形能够降低圆盘构造体的平均传热温差,同时有助于提高其整体传热性能.本文工作有助于进一步拓展(火积)耗散极值原理的应用范围.

关键词：构形理论 (火积)耗散率最小微、纳米尺度广义热力学优化