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热力系统整体分析和优化的热量流法

中国科学：技术科学 2021年第10期51卷 1251-1274页

作者：赵甜陈曦贺克伦陈群清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

热力系统的性能优化对提高能源利用效率具有重要意义,但传统分析方法难以满足复杂系统高效分析的需求.近年来基于理论发展的热量流法及相应的求解算法为热力系统的分析与优化提供了一种新的解决方案.本文首先介绍热力系统热量流模型的... 详细信息

热力系统的性能优化对提高能源利用效率具有重要意义,但传统分析方法难以满足复杂系统高效分析的需求.近年来基于理论发展的热量流法及相应的求解算法为热力系统的分析与优化提供了一种新的解决方案.本文首先介绍热力系统热量流模型的规范化构建方法,并以余热回收朗肯循环为例说明了模型构建的具体流程.随后,结合系统中工质的流动约束及物性,提出了热力系统整体数学模型的规范化构建方法,能够分离系统约束中线性、非线性显式和非线性隐式约束,最少化需要迭代求解约束的数量.利用上述约束分离特性提出了热力系统整体数学模型的分层-分治求解算法,能够大幅降低计算复杂度,并显著提高计算鲁棒性.最后,以三压蒸汽发电系统为例,阐明了热量流模型及分层-分治算法与传统求解方法相比在求解时间、所需初值数量等方面的优势.

关键词：热力系统热量流法规范化建模分层-分治算法

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乳品行业低温余热回收系统性能分析

工程热物理学报 2022年第2期43卷 445-450页

作者：王瑞王猛李斌邵坤崔峥邵卫山东大学热科学与工程研究中心济南250061 包头北方创业有限责任公司包头014030 山东高等技术研究院济南250100

针对乳品行业排风风量大但品位低的特点,本文提出利用排风余热代替蒸汽来预热干燥空气的余热回收系统。在构建预热器、回热器和主加热器等部件热量流模型的基础上,建立了不包含中间节点参数的系统整体热量流模型。结合某奶粉厂运行数据... 详细信息

针对乳品行业排风风量大但品位低的特点,本文提出利用排风余热代替蒸汽来预热干燥空气的余热回收系统。在构建预热器、回热器和主加热器等部件热量流模型的基础上,建立了不包含中间节点参数的系统整体热量流模型。结合某奶粉厂运行数据对模型进行求解,结果表明,该系统将排风温度由90℃降低到42.58℃。在给定热负荷下,通过匹配中间回路的质量流量和进风温度为系统提供有效运行指导,实现节能降耗的目的。

关键词：余热回收热量流法节能降耗运行曲线

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换热器动态特性分析的热量流模型

工程热物理学报 2020年第11期41卷 2828-2833页

作者：邵卫陈群贺克伦郝俊红山东大学热科学与工程研究中心济南250061 清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084 华北电力大学能源动力与机械工程学院电站能量传递转化与系统教育部重点实验室北京102206

换热器的动态特性是评价换热器响应能力以及指导控制系统设计的重要指标。本文首先通过换热器动态能量微分方程推导出换热器的壁面储热模型,然后结合时间延迟模型构建了表征换热器动态特性的热量流模型,提出了换热器动态特性分析的热量... 详细信息

换热器的动态特性是评价换热器响应能力以及指导控制系统设计的重要指标。本文首先通过换热器动态能量微分方程推导出换热器的壁面储热模型,然后结合时间延迟模型构建了表征换热器动态特性的热量流模型,提出了换热器动态特性分析的热量流法,最后将模型的计算结果与有限容积法的模拟结果进行对比验证了模型的有效性,从而为构建换热系统整体动态模型以及控制系统设计奠定基础。

关键词：换热器热量流法时间延迟动态特性

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飞行器热管理系统的热量流建模及优化

工程热物理学报 2021年第9期42卷 2448-2454页

作者：赵甜贺克伦陈群清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

随着飞行器性能的提升,其高效热管理的重要性日益凸显,因而整体热管理系统逐渐得到广泛应用。本文以一种典型的飞行器整体热管理系统为研究对象,通过引入热阻、热动势和能量源等部件构建其热量流模型,应用基尔霍夫定律获得系统中能量的... 详细信息

随着飞行器性能的提升,其高效热管理的重要性日益凸显,因而整体热管理系统逐渐得到广泛应用。本文以一种典型的飞行器整体热管理系统为研究对象,通过引入热阻、热动势和能量源等部件构建其热量流模型,应用基尔霍夫定律获得系统中能量的整体输运与转换规律,并明确系统性能和各设计、运行参数间的直接约束关系。以此为基础并结合遗传算法,以热管理系统的总体轻量化为目标,实现了其多参数全局优化。优化结果表明只依赖经验的系统设计容易错失最优解。

关键词：飞行器热管理系统轻量化设计热量流法全局参数优化

飞行器能源与热管理系统中多能流统一建模与分析方法

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航空学报 2023年第19期44卷 112-127页

作者：滕润航贺克伦赵甜於萧萧于喜奎徐向华梁新刚陈群清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084 沈阳飞机设计研究所沈阳110035

能源与热管理系统的综合集成优化设计是充分提升飞行器性能的关键技术之一。然而,由于热管理、电源等子系统的传统分析方法存在差异,导致整体集成设计的复杂度大。基于热力系统分析的热量流法,建立了电量、热量、工质的规范化传输网络模... 详细信息

能源与热管理系统的综合集成优化设计是充分提升飞行器性能的关键技术之一。然而,由于热管理、电源等子系统的传统分析方法存在差异,导致整体集成设计的复杂度大。基于热力系统分析的热量流法,建立了电量、热量、工质的规范化传输网络模型,提出了热管理、电源等子系统间的数据交互方法,形成了飞行器能源与热管理系统的整体建模分析方法。计算结果表明,该方法在确保准确性的前提下,计算耗时比商业软件AMESim低近2个数量级。通过对给定飞行剖面的系统进行变工况仿真,计算出了在满足温控的需求下,单次任务目标所需的相变工质携带量为348.8kg,机载蓄电池所需的最低初始电量和容量为1837、3158W·h。因此,所提出的方法可用于飞行器轻量化的定量优化。

关键词：能源与热管理系统整体分析图论传输网络模型热量流法

数据中心服务器间接液冷散热系统设计及经济运行研究

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数据中心服务器间接液冷散热系统设计及经济运行研究

作者：余道广山东大学

学位级别：硕士

近年来数据中心数量增长迅速,随之而来的能耗问题也愈发严重,其中冷却系统能耗占比三分之一以上。传统风冷由于气流组织管理等问题难以满足高热流密度芯片的散热要求,新型液冷技术在改善高发热元件热环境方面表现突出,但由于设计、冷却... 详细信息

近年来数据中心数量增长迅速,随之而来的能耗问题也愈发严重,其中冷却系统能耗占比三分之一以上。传统风冷由于气流组织管理等问题难以满足高热流密度芯片的散热要求,新型液冷技术在改善高发热元件热环境方面表现突出,但由于设计、冷却液流量供需等客观原因导致液冷散热系统功耗居高不下,因此,开展机房冷却系统节能降耗的优化研究具有重要意义。本文建立了机柜间接液冷散热系统管网模型,通过数值模拟分析表明中心扩散型结构水冷板在散热性能和均温性等方面表现优异,并以此进行阻力特性分析。基于管网模型设定管网结构参数,分析选取水力光滑区公式计算主管段、歧管段、支管段的沿程阻力系数,推导突扩、突缩部件的局部阻力计算公式,利用经验公式计算弯头、三通、阀门部件的局部阻力。分析管网系统阻力分布特性,结合管网阻力系数完成液冷散热系统管网阻力模型的构建,并利用MATLAB Appdesigner模块开发管网系统设计及阻力求解软件,对工程应用具有重要参考价值。为优化机柜液冷散热系统,建立数据中心服务器机柜液冷散热系统整体物理模型。在系统物理模型的基础上分析其流动、传热特性,基于热量流法和管网流体动力-阻力平衡关系建立系统整体流动和传热约束。在此基础上,分别针对集中式和分散式两种泵布置方式下的机柜液冷散热系统开展优化分析。对于集中式泵布置的散热系统,在给定热负荷下,以系统功耗最小为目标建立拉格朗日函数,结合变分原理求解获得泵最优运行频率。当冷却水温度从20℃上升至24℃时,总功耗提高1.55倍。通过比较支路温度、热负荷变化对系统及其他支路的影响,发现支路温度变化对系统的影响必须同时考虑其他支路温度,而支路热负荷增加一定会导致系统冷却水需求量增加、功耗增大。当系统总负荷一定时,将特定负载1.2 kW的服务器分别放置于机柜顶部和底部,优化结果显示底部放置可节约能耗34.4%。在给定系统总泵功耗下,以系统热负荷最大为目标,结合系统整体传热和流动约束建立拉格朗日函数,结合变分原理求解获得泵最优运行频率。在给定泵功耗条件下,当冷却水进口温度提高2℃,机柜总热负荷降低4.9%;基于各支路散热量随给定系统冷却功耗变化趋势可以发现,热负荷较高的服务器就近布置可以使冷却系统更加节能。对于分布式泵布置的液冷散热系统,在给定热负荷下,以系统功耗最小为目标,结合系统整体约束建立拉格朗日函数,结合变分原理求解获得泵最优运行频率。通过对比发现,当系统总热负荷从4.0 kW增加至6.0kW时,分布式泵布置方式相比较集中式布置方式平均节能2.5W,最高可达 7.09W。通过MATLAB平台开发数据中心服务器间接液冷散热系统优化软件模块,该模块首先进行服务器层数及管网系统阻力设计,其次输入服务器热负荷量以及冷却水的物性参数,经过计算输出每层服务器最小泵频率以及系统功耗值,实现了液冷系统运行参数的优化设计。在此基础上,对优化软件模块采用打包App、创建独立桌面应用程序两种方式分别进行打包与安装,测试结果与上述研究保持一致。通过构建优化软件模块,极大的提高了散热系统建模及优化效率。

关键词：间接液冷系统泵布置方式热量流法最优参数优化模块