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附件2 论文中英文摘要格式 作者姓名:陈群 论文题目:对流传递过程的不可逆性及其优化 作者简介:陈群,男,1981年7月出生,2003年9月师从于清华大学过增元教授,于2008年7月获博士学位.

中文摘要提高能源利用效率对节约能源、减少污染物排放具有重要意义,因此越来越受到人们的重视.由于能源的利用主要通过热量、质量和动量传递得以实现,因此传递过程的优化对节能减排意义重大.尽管近年来对传递过程的数值描述、实验分析及性能强化等领域的研究已取得了较大进步,但是对传递过程的分析仍然缺乏如流体力学般系统性的理论支持,不可避免的具有一定的经验性和盲目性,研究结果缺乏通用性. 传热强化通常并不是节能的,而速度和温度梯度的场协同原理提供了新思路,它能够以更有效、更节能的方式强化对流换热,即在给定条件下,最大程度地提高系统的传热能力,同时最大程度地减少代价,达到节约能源的目的. 鉴于以线性输运定律描述的热量、质量和动量传递过程之间的相似性,本文把传热场协同理论推广到对流(层流、湍流)传质过程和动量传递过程(流动过程)分析.结果表明,对流传质能力不仅取决于流体速度和组分浓度梯度,而且还取决于它们之间的协同程度.在给定边界条件下,流体速度与组分浓度梯度在整个对流传质区域内的协同程度越高,对流传质能力越强,泵功愈小.同样,流体流动过程中的阻力不仅与速度场和速度梯度场有关,还取决于它们之间的协同程度.在给定进口流量或进口速度时,速度场和速度梯度场在整个流动区域内的协同程度越 差 ,动量传递量越小,流动阻力越小. 考虑到传递过程中只有速率的概念而没有效率的概念,是因为传递过程中付出(如:材料或能量)与回报(如:传热速率的提高)的物理量之间单位有所不同.传递过程只有强化而没有优化的概念,是因为传递过程的理论中至今还缺少一些基本物理量、基本理论对传递过程进行优化. 本文在热量积的基础上定义了质量积和动量积,它们都具有能量的含义,分别代表介质中质量和动量的扩散能力;

推导了质量积和动量积的耗散函数;

证明了不涉及热功转换传递过程的不可逆性的量度是积(热量积、质量积和动量积)的耗散,而熵产则是反映了存在热功转换的传递过程的不可逆性,与可用能的损失相关.提出了最小积耗散原理,它就是传递过程的最小作用量原理,并在此基础上推导出了常输运系数的牛顿粘性定律、傅立叶导热定律和菲克扩散定律等基本定律,这一结果表明绝大多数的自然传递过程都是按照 最优 ,即能耗最小的方式进行的. 为了揭示对流换热过程中热量积耗散极值原理和熵产最小原理的差别,在给定泵功的条件下,分别以积耗散极值和熵产最小为优化准则导出了对流换热性能最佳时流体速度场所需满足的相应的欧拉方程,并对等热流边界条件下的圆管层流换热进行了优化.结果表明,当热量积耗散达到最小时,得到的换热平均温差最小,Nu最大;

而熵产达到最小时,并不与温差最小和Nu最大的工况相对应.热量积耗散极值原理和熵产最小原理优化获得的最佳流场虽然都具有4个纵向涡,但前者纵向涡的强度沿管长不变,后者则沿管长减弱.其原因在于热量积耗散只与温度梯度有关,而熵产还与温度的绝对值有关.由此表明,热量积耗散极值原理更适合于与热功转换过程无关的对流换热过程的节能优化.在此基础上,基于热量积耗散概念定义了对流换热的热量加权平均温差以及对流换热的热阻,并且把对流换热的积耗散极值原理归结为最小热阻原理,即热量积耗散定义的热阻最小时,对流换热性能最优. 对于湍流工况下的对流换热优化问题,定义了湍流换热的热量积,并利用时均温度梯度平方与湍流导热系数的乘积定义了湍流换热的热量积耗散函数.结合零方程湍流模型导出了泵功给定时湍流换热性能最优的速度场需满足的欧拉方程,求解此方程就得到了湍流换热性能最优的流体速度分布,从而把层流换热中的热量积耗散极值原理推广至湍流换热.通过对平行平板通道湍流换热进行优化,得出在壁面附近形成小涡结构的流场能使湍流换热的Nu极大化的结论,并且得到了涡的最佳高度与Re、层流粘性底层厚度的函数关系,近似为层流底层厚度的3倍.这揭示了壁面微肋比其它强化表面能更有效强化湍流换热的物理原因.此原理还成功预测了不同Re条件下优化湍流换热的微肋最佳高度,并且与已有的实验结果定性上符合很好. 提出了对流传质过程中的质量积耗散极值原理.在质量和组分浓度守恒、流体粘性耗散一定的条件下,利用变分原理,获得了对流传质过程中质量积耗散取极值时所需满足的欧拉方程.在给定约束条件下可以预测对流传质场协同最好的速度场,从而提高系统的对流传质能力. 利用空气与水的对流传质实验验证了对流传质场协同理论和质量积耗散极值原理,说明了对流传质过程的场协同优化与质量积耗散极值优化是一致的,并且质量积耗散极值原理揭示了对流传质场协同优化的物理机制.在此基础上,将质量积耗散极值原理用于空间站实验舱内通风排污过程和光催化反应器内对流传质过程的优化.结果表明:在相同进风量的条件下,将均匀送风的通风方式调整为集中送风方式,不仅使污染源周围和整个实验舱内的污染物平均浓度分别降低50 %和75 %,污染物浓度最大值从0.47 %降为0.22 %,而且可以使空气在实验舱内流动过程中所消耗的机械能降低30 %.另外,采用双斜内肋板式反应器可以使空气在反应器内形成含多纵向涡的流场,从而与理论获得的最佳流场接近.当进口空气Re为175,污染物浓度为1.4 PPM左右时,该双斜内肋板式反应器与光滑板式反应器相比,对流传质量和排污效率分别提高了24 %和22 %. 分别针对等温常物性以及变温变物性的流体流动过程,在给定约束条件下,提出了动量积耗散极值原理,并推导出了流体流动过程中动量积耗散取极值时所需满足的欧拉方程.在给定流量的前提下,通过求解该欧拉方程,获得最佳流场,使得流体流动阻力最小. 以含并联管路的流体流动为例,讨论了动量积耗散原理在等温常物性流体流动减阻中的应用.分析表明,在最佳流场的指导下,通过在分岔处设置一个适当的流量分配器,可以在流体流量给定的前提下使流动阻力降低5 %.此外,分别以稠油在管道内保温输运过程以及粘度不同的高低温稠油在管道内的输运过程为例,论述了动量积耗散原理在非等温变物性流体流动减阻中的应用.优化结果表明:在稠油保温输运过程中,管内形成多纵向涡的流动结构可以将圆管中心粘度较小的高温稠油不断向壁面移动,大大........