對流傳熱強化的最小作用量原理分析.pdf

1、對流傳熱強化技術(shù)是廣泛應用于國民經(jīng)濟的各類行業(yè)部門，能夠節(jié)能降耗并促進和適應高熱流場合的重大關(guān)鍵技術(shù)。對流傳熱強化的根本任務是實現(xiàn)傳熱過程的最優(yōu)設計和控制。對流傳熱過程的強化目標可以歸結(jié)為降低過程的不可逆性。熵產(chǎn)和耗散是用于表征對流傳熱過程不可逆性的兩個關(guān)鍵物理量，因此強化傳熱研究的目標可以歸結(jié)為尋求降低熵產(chǎn)或耗散的方法。
　　為了建立強化傳熱技術(shù)的系統(tǒng)性理論，最小作用量原理和場協(xié)同的概念被引入了傳熱學的研究。場協(xié)同理論嘗試從

2、流場和溫度場配合的角度統(tǒng)一解釋各類強化傳熱的物理機制，得到許多有益的結(jié)論，但是該理論沒能指出實現(xiàn)優(yōu)化流場的具體途徑。本文從最小作用量原理和場協(xié)同的角度綜合比較分析了折流桿、旋流片和空心環(huán)這三種元件強化傳熱的機理，發(fā)現(xiàn)耗散量隨雷諾數(shù)的變化趨勢與平均努塞爾數(shù)一致，場協(xié)同理論在關(guān)注強化傳熱的同時沒有考慮流動阻力的影響。
　　最小熵產(chǎn)原理和耗散原理的研究受到廣泛關(guān)注。特別是目前基于耗散的概念建立起來的泛函優(yōu)化模型及其變分原理被認為是

3、指導對流傳熱強化的最優(yōu)化原則。在這些泛函優(yōu)化模型中，一類是熵產(chǎn)、耗散分別被作為目標函數(shù)，流動功耗和粘性耗散分別被作為積分約束條件，另一類則是流動功耗和粘性耗散分別被作為目標函數(shù)，耗散被作為積分型約束條件。泛函優(yōu)化模型的變分駐值條件歸結(jié)為場協(xié)同方程組，該方程組被認為是描述對流傳熱最優(yōu)流場的控制方程組。針對目前出現(xiàn)的這些最小作用量原理及其泛函優(yōu)化模型，本文綜合運用理論分析和數(shù)值模擬方法從其泛函模型的物理意義、建立途徑以及求解方法等方面進