弱耗散热力学循环的性能特性与优化理论研究

There inevitably exist energy dissipations for all realistic thermodynamic cycles. Weak dissipation cycles are a class of new models of thermodynamic cycles recently developed and provide us with a viable research method to discuss the effects of irreversible losses on the performance characteristics of cycles. Based on our previous works, weak-dissipative cycle models will be further used to analyze the performance characteristics of a class of thermodynamic cycles. Moreover, the physical meaning of parameters included in weak-dissipative cycle models for specific cycle systems will be revealed and the physical pictures of symmetry dissipation and the two limiting cases of dissipation models will be explored. In order to make the cycle models more realistic, the heat leak between two heat reservations will be introduced and the higher order of dissipative terms with complicated time dependence will be considered. Furthermore, the influences of these modifications on the performance characteristics of thermodynamic cycles will be discussed. The relations between the two coefficients which include the specific information of irreversibility inside weak-dissipative cycle models, the heat and mass transfer laws adopted by endoreversible cycle model, and the Onsager coefficients included in irreversible thermodynamic cycle will be searched and the difference and relations between these cycle models will be revealed, so that the optimum theories of irreversible thermodynamic cycles are developed.

实际的热力学循环都不可避免地存在能量的耗散。弱耗散循环模型是最近发展起来的热力学循环新模型，为我们提供了讨论不可逆损失对循环性能特性影响的另一种可行的研究方法。本项目将在近期工作的基础上，进一步应用弱耗散循环模型分析一系列热力学循环的性能特性，揭示弱耗散循环模型中各个参数在具体循环系统中对应的物理意义，讨论对称耗散以及两种极限耗散情况对应的具体物理图像。考虑通过在弱耗散循环模型中加入热漏、保留更高阶的时间相关耗散项等方式进一步完善弱耗散循环模型，使其更加接近真实循环，进而讨论由此引起的对循环性能特性的影响。推导弱耗散循环模型中的两个包含具体不可逆信息参数与内可逆循环模型中传热传质规律以及与基于局域平衡假设建立的不可逆循环模型中昂萨格系数之间的关系式，由此揭示弱耗散循环模型、内可逆循环模型和基于局域平衡假设建立的不可逆循环模型三者间存在的区别与联系，发展不可逆热力学循环的优化理论。

为了研究不可逆性对于实际热力学循环性能特性的影响，人们分别建立了内可逆循环、基于局域平衡假设的不可逆循环、以及弱耗散循环等非平衡态热力学循环模型。如何进一步发展上述模型，拓展他们的应用范围，揭示他们之间的区别与联系，成为热力学研究领域的热门研究课题。本课题组沿着上述思路在过去三年开展了一系列研究。首先，通过加入外部漏损失等相关耗散项的方式，进一步发展了弱耗散循环模型，使之更加接近真实循环，并讨论了循环的一般性能特性，分析了不可逆性对循环性能的影响。接着，利用基于局域平衡假设的不可逆循环模型及随机热力学分析法，讨论了随机热机的性能特性，并指出在强耦合及对称条件下该热机性能特性与内可逆卡诺循环模型一致。第三，把内可逆循环模型与弱耗散循环模型推广应用于构建泵热和制冷电储能系统的一般化热力学模型。基于模型推导得到了循环往返效率和功率的解析表达式，给出了系统的性能特性，确定了它们的最优化工作区间以及在给定参数下的性能界限。上述研究进一步发展了非平衡态热力学循环模型，加深了对循环模型的理解，拓展了循环的应用范围，进一步丰富了热力学循环的优化理论，将为实际热力学设备的设计与运行提供理论指导。到目前为止，我们在学术期刊上共发表与项目相关学术论文5篇，全部被SCI收录。