瞬态导热过程的火积分析及其优化

瞬态、高热流密度散热是航天器瞬时、大功率电子器件散热，高超声速飞行器非烧蚀热防护等领域发展的瓶颈，鉴于目前对于瞬态导热过程的优化还没有有效的方法。本研究将在现有[火积]理论的基础上进一步建立瞬态导热过程的优化原理和准则，研究内容有：1）推导瞬态导热过程，以及包含相变的导热过程中的[火积]耗散极值原理，进而得到其优化准则，用于体点导热问题优化，并与熵产最小原理的优化结果进行比较；2）基于瞬态导热的[火积]耗散极值原理，对典型的瞬态导热过程，如瞬态体点问题，相变蓄热中的高导热材料结构优化问题进行优化分析，发展新的优化算法，用数值方法验证新算法的有效性；3）建立瞬态、高热流密度散热结构优化的模型，运用瞬态导热优化算法进行优化求解，得到优化的高效散热结构，与现有方案进行比较；4）搭建瞬态导热优化实验台，用实验方法验证瞬态导热的[火积]耗散极值原理及优化结果。

瞬态、高热流密度散热是航空航天器瞬时、大功率电子器件散热、大功率激光器、高超声速飞行器非烧蚀热防护等领域发展的瓶颈。除了提高材料耐温性能，优化散热结构也是非常必要的技术途径。在传统的传热理论中只有强化传热而无优化传热的概念，过增元等提出的穊理论为传热优化提供了理论基础。本研究在现有的穊理论的基础上研究传热优化，特别是瞬态传热过程优化的理论，发展优化方法。.课题首先从导热的变分原理出发，结合穊平衡方程，给出了以系统对外输出穊流表述的导热变分原理。从而赋予穊流、穊耗散以明确的物理意义，阐明了内热源、第二类边界条件输入穊流与第一、第三类边界条件输入穊流的不同之处。通过处理辐射换热边界条件的变分，得到了辐射穊耗散的表达式。然后针对简单导热系统的瞬态求解，阐明传热过程中的各物理量变化，论述了过程中守恒量和耗散量，对比了穊耗散与熵产在描述瞬态导热过程的不同，表明穊与穊耗散更适用于描述传热过程。.进一步将穊理论扩展到更多的传递过程中。我们定义了一类广义流动，借鉴穊的概念和变分分析方法，定义了其中的积、积流和积耗散，得到了用积表述的变分原理——积极值原理，发展了相应的积耗散极值原理，以应用于广义流动过程的优化。.为了将穊理论用于实际传热过程的优化，发展了相应的优化算法。针对换热设备中广泛存在的肋片，提出了基于穊耗散分析的优化方法，指出最优肋片形状对应于导热和对流过程中的穊耗散极值，并且与加热面平均温度最低相一致。在穊分析的基础上给出了对流换热肋片形状优化问题的数学表述，将该优化问题离散为组合优化问题，提出了贪婪演化算法和基于递归的遍历算法，实现了该问题的快速数值求解方法。优化结果表明优化算法具有很好的性能，还得到了影响肋片形状的无量纲因子。.此外，基于焓穊的概念，以绝对零度为基准，定义了经历固、液、气三相状态的物质的绝对焓穊。并利用这一概念分析了含有相变换热的换热器性能与优化。后续还将继续基于已经得到的优化理论发展瞬态传热过程的优化方法，用于实际换热设备、换热过程的优化设计。