PDF《基于火积理论的轧钢加热炉壁变截面绝热层构形优化》

基于火积理论的轧钢加热炉壁变截面绝热层构形优化 冯辉君 陈林根 谢志辉 孙丰瑞 Constructal optimization of variable cross-section insulation layer of steel rolling reheating furnace wall based on entransy theory Feng Hui-Jun Chen Lin-Gen Xie Zhi-Hui Sun Feng-Rui 引用信息 Citation: Acta Physica Sinica, 64,

054402 (2015) DOI: 10.

7498/aps.64.054402 在线阅读View online: http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.054402 当期内容View table of contents: http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/Y2015/V64/I5 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于超材料的定向传热结构研究与设计 Research and design of directional heat transmission structure based on metamaterial 物理学报.2015, 64(8):

084401 http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.084401 亚表面异质缺陷对功能梯度材料表面温度场的影响 Influence of inclusion in functionally graded materials on the surface temperature distributions 物理学报.2014, 63(19):

194401 http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.194401 基于拉普拉斯方程的任意形状热斗篷研究与设计 Research and design of thermal cloak with arbitrary shape based on Laplace'

s equation 物理学报.2014, 63(19):

194402 http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.194402 硅功能化石墨烯热导率的分子动力学模拟 Molecular dynamics simulation of the thermal conductivity of silicon functionalized graphene 物理学报.2014, 63(7):

074401 http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.074401 基于变换热力学的任意形状热集中器研究与设计 Research and design of thermal concentrator with arbitrary shape based on transformation thermodynam- ics 物理学报.2014, 63(5):

054401 http://dx.doi.org/10.7498/aps.63.054401 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 64, No.

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054402 基于火积理论的轧钢加热炉壁变截面 绝热层构形优化? 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) (

2014 年7月29 日收到;

2014 年9月2日收到修改稿 ) 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 PACS: 44.10.+I, 47.55.pb, 44.40.+a DOI: 10.7498/aps.64.054402

1 引言相对于强化传热问题, 绝热问题(弱化传热) 是 传热学中另一类常见的问题, 在热系统中添加绝热 层是弱化传热的一种常用手段. 如何设计绝热层 以提高热系统能源利用率已成为一大热点问题, 构 形理论为实现绝热层的优化提供了一种方法, 许多 学者 [1?7] 应用该理论 [8?13] 对这一问题进行了深入 研究. 在给定绝热层体积的条件下, Bejan [1] 以热损 失率最小为目标对轧钢加热炉壁绝缘层厚度进行 了优化, 优化后的绝热层热损失率比等厚度绝缘层 热损失率降低了 12.5%. 李大鹏等 [2] 进一步讨论了 线性温度分布和正弦温度分布下管状绝热层的最 优布置问题, 指出对于任何温度分布规律, 当管径 远大于绝热层厚度时, 绝热层厚度均与管状表面温 度和环境温度之差的平方根成正比. Kang 等[3] 以 热损失率最小为目标研究了轧钢加热炉壁多层绝 缘层和变截面绝热层的最优分布问题, 结果表明所 得各层绝热层最优厚度均与炉壁和环境温差的平 方根成正比, 变截面绝热层的热损失率比恒截面绝 热层的热损失率大大降低. Lorente 和Bejan [4] 将 立式绝热壁机械强度作为约束条件, 以总热阻最大 为目标对立式绝热壁进行了构形优化, 得到了机械 强度约束下的绝热壁最优构形. Xie 等[5] 释放了机 械强度约束条件, 将机械强度作为目标建立了兼顾 立式绝热壁隔热性能和机械性能的热流与强度复 合目标, 以其最大化为目标对立式绝热壁进行了构 形优化, 结果表明幂权参数取值在 0.4 与4之间时 立式绝热壁隔热和强度性能得到了较好的兼顾, 环 境变化较大且瑞利数较高时宜采用空腔较多的绝 热壁以使得其性能达到最优. Chen 等[6,7] 进一步 建立了兼顾绝热壁隔热性能、 机械性能和质量 (体积) 的复合目标, 所得结果更适用于对绝热壁重量 限制要求较高的应用场合. ? 国家重点基础研究发展计划 (973) 项目 (批准号: 2012CB720405) 和国家自然科学基金 (批准号: 51176203, 51356001) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected],[email protected] ?

2015 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 054402-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 64, No.

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054402 以上绝热层绝热问题的研究都是以传统的热 损失率或最大热阻为优化目标, 并不能反映绝热层 绝热过程中的整体传热性能. 为了反映传热的本 质属性, 过增元等 [14,15] 提出了新的物理量火积(文献 [16] 曾称之为热量传递势容) 用来描述物体所具有 的热量传递总能力 Evh =

1 2 QvhUh =

1 2 QvhT, (1) 式中, Qvh = McvT 为物体的定容热容量, Uh 或T是温度, 即热势. 在此基础上, 过增元等 [14,15] 进一 步得到了系统内的火积耗散函数, 提出了传热过程 的火积耗散极值原理, 并定义了多维导热问题的当量 热阻. 火积理论揭示了传热过程的本质属性, 是不同于 熵产生最小化理论的新传热优化理论, 火积和熵的变 化量之间并不存在简单的等式关系 [17,18] . 火积理论 的产生在热力学发展进程中具有里程碑的意义, 一 大批学者在火积理论的指导下对一系列的传热优化 问题进行了深入研究 [19?36] , 其中基于火积耗散极值 原理的绝热层优化设计 [34?36] 是火积理论的一个新 应用. Feng等[34] 与导热过程火积耗散极值原理类比, 提出了绝热过程火积耗散极值原理, 并基于该原理在 恒温边界条件下对轧钢加热炉壁单层平板和圆柱 体绝热层和多层平板绝热层分别进行了构形优化, 得到了整体绝热性能最优的

3 种绝热层最优构形. Feng等[35,36] 进一步基于绝热过程火积耗散极值原理 在复合传热边界下对单层恒截面绝热层、 在恒温边 界条件下对单层变截面绝热层分别进行了构形优 化, 所得复合传热边界下的绝热层最优构形更符合 实际、 恒温边界条件下的变截面绝热层最优构形有 助于提高整体传热性能. 本文将在文献 [3, 35] 的基础上, 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边 界条件下对轧钢加热炉壁变截面绝热层进行构形 优化, 对火积耗散率最小和热损失最小的变截面绝热 层最优构形进行比较, 并分析绝热层截面形状对其 整体绝热性能的影响.

2 对流传热边界条件下变截面绝热层 构形优化 对流传热边界条件下的变截面绝热层模型如 图1所示. 炉壁外侧变截面绝热层的厚度为 t(x), 宽度为 p(........