流動和傳熱傳質(zhì)過程的多目標(biāo)構(gòu)形優(yōu)化
基于現(xiàn)代傳熱傳質(zhì)優(yōu)化理論,《流動和傳熱傳質(zhì)過程的多目標(biāo)構(gòu)形優(yōu)化》對鋼鐵、化工、能源、電力、農(nóng)業(yè)和軍事等領(lǐng)域廣泛涉及的流體流動和傳熱傳質(zhì)問題開展了多學(xué)科、多目標(biāo)、多尺度構(gòu)形優(yōu)化研究!读鲃雍蛡鳠醾髻|(zhì)過程的多目標(biāo)構(gòu)形優(yōu)化》匯集了作者的多年研究成果,第1章介紹了構(gòu)形理論的產(chǎn)生、發(fā)展,并回顧了與本書相關(guān)的構(gòu)形優(yōu)化問題的研究現(xiàn)狀。第2~11章分別對簡單流體流動網(wǎng)絡(luò)、熱水用戶網(wǎng)絡(luò)、肋片、冷卻通道、脈管網(wǎng)絡(luò)、換熱器網(wǎng)絡(luò)、多孔介質(zhì)傳質(zhì)網(wǎng)絡(luò)、氣固反應(yīng)器、固體氧化物燃料電池、廣義流動、鋼鐵生產(chǎn)流程和廣義傳遞過程構(gòu)形優(yōu)化問題進行了研究,提出了鋼鐵生產(chǎn)流程廣義熱力學(xué)優(yōu)化理論,給出了解決不同構(gòu)形設(shè)計問題的統(tǒng)一方法。
《流動和傳熱傳質(zhì)過程的多目標(biāo)構(gòu)形優(yōu)化》對多學(xué)科交叉融合、不同優(yōu)化準(zhǔn)則與不同尺度下的流動和傳熱傳質(zhì)問題進行了構(gòu)形優(yōu)化研究,內(nèi)容豐富、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、概念新穎、難易適中,可供微電子器件設(shè)計、鋼鐵行業(yè)節(jié)能設(shè)計、換熱設(shè)備設(shè)計等眾多工程設(shè)計領(lǐng)域的科技人員參考,也可作為高等學(xué)校能源動力類相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的教材。
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能源問題是世界各國普遍關(guān)注的焦點問題,高效地利用能源已成為人類可持續(xù)發(fā)展的必由之路。合理的能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對能源系統(tǒng)、能源利用率的提高有重要的促進作用,因此,對能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化已成為能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的重要研究方向之一。熵產(chǎn)生最小化理論、場協(xié)同理論、煅理論和構(gòu)形理論等各種傳熱傳質(zhì)優(yōu)化理論為能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了重要的理論基礎(chǔ)。
本書在全面深入地了解熵產(chǎn)生最小化(有限時間熱力學(xué))理論、場協(xié)同理論、熾理論和構(gòu)形理論等各種傳熱傳質(zhì)優(yōu)化理論的基礎(chǔ)上,提出廣義構(gòu)形優(yōu)化思想,并進一步總結(jié)出廣義傳遞過程(傳遞強化和傳遞弱化過程)的廣義勢差和廣義流量極值原理及廣義耗散極值原理;在全面系統(tǒng)地總結(jié)前人現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上,遵循從單純的熱力學(xué)和傳熱學(xué)到多學(xué)科交叉融合、從單目標(biāo)優(yōu)化到多目標(biāo)優(yōu)化的原則,基于廣義構(gòu)形優(yōu)化思想、廣義勢差和廣義流量極值原理及廣義耗散極值原理,對流體流動過程、肋片、脈管網(wǎng)絡(luò)和換熱器對流換熱過程、多孔介質(zhì)傳質(zhì)過程以及氣固反應(yīng)器和固體氧化物燃料電池傳熱傳質(zhì)過程進行多學(xué)科、多目標(biāo)、多尺度構(gòu)形優(yōu)化,得到不同優(yōu)化目標(biāo)下各種傳遞過程最優(yōu)構(gòu)形。最后針對各種傳遞過程建立廣義傳遞過程模型,基于廣義構(gòu)形優(yōu)化思想給出解決各種傳遞過程構(gòu)形問題的統(tǒng)一方法,得到其最優(yōu)構(gòu)形,提出鋼鐵生產(chǎn)流程廣義熱力學(xué)優(yōu)化理論。本書取得了一些具有重要理論意義和實用價值的研究成果,可為各種傳遞過程和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。
本書主要由以下五個部分組成。
第一部分研究流體流動過程構(gòu)形優(yōu)化問題。第2章在管道總表面積一定的條件下,以最大壓差最小為目標(biāo)對圓盤區(qū)域內(nèi)對稱樹狀流動網(wǎng)絡(luò),以總泵功率最小為目標(biāo)對圓盤區(qū)域內(nèi)非對稱樹狀流動網(wǎng)絡(luò)分別進行構(gòu)形優(yōu)化;建立新的流動網(wǎng)絡(luò)模型——釋放管道夾角約束的線一線流動網(wǎng)絡(luò)模型,分別在管道總體積和表面積約束條件下以最大壓差最小為目標(biāo)對其進行構(gòu)形優(yōu)化,并對兩種管道約束條件下的流動網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)構(gòu)形進行比較。第3章建立同時考慮熱水傳熱和流動性能的兩個新目標(biāo)——壓差和溫度復(fù)合函數(shù)目標(biāo)及熾耗散率目標(biāo),并建立新的熱水用戶網(wǎng)絡(luò)模型-X形熱水用戶網(wǎng)絡(luò)模型;分別以壓差和溫度復(fù)合目標(biāo)最小及煅耗散率最小為目標(biāo),對矩形內(nèi)H形熱水用戶網(wǎng)絡(luò)模型進行構(gòu)形優(yōu)化;分別采用以熱水用戶網(wǎng)絡(luò)總壓降最小和用戶溫度最大的分步優(yōu)化方法及以壓差和溫度復(fù)合目標(biāo)最小的全局優(yōu)化方法,對矩形內(nèi)X形熱水用戶網(wǎng)絡(luò)進行構(gòu)形優(yōu)化,并對兩種優(yōu)化目標(biāo)下的熱水用戶網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)構(gòu)形進行比較。
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目錄
前言
第1章 緒論l
1.1引言1
1.2傳遞過程優(yōu)化的基本原理2
1.2.1熵產(chǎn)生最小化原理2
1.2.2場協(xié)同原理3
1.2.3*耗散極值原理4
1.3構(gòu)形理論的產(chǎn)生、發(fā)展和內(nèi)涵7
1.3.1構(gòu)形理論的產(chǎn)生和發(fā)展7
1.3.2構(gòu)形理論與分形理論8
1.4流體流動過程構(gòu)形優(yōu)化研究現(xiàn)狀9
1.4.1簡單流體流動網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化9
1.4.2熱水用戶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化10
1.4.3廣義流動過程構(gòu)形優(yōu)化10
1.5對流換熱過程構(gòu)形優(yōu)化研究現(xiàn)狀11
1.5.1熱沉和熱源構(gòu)形優(yōu)化11
1.5.2冷卻通道構(gòu)形優(yōu)化13
1.5.3脈管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化14
1.5.4換熱器構(gòu)形優(yōu)化15
1.6多孔介質(zhì)傳質(zhì)過程構(gòu)形優(yōu)化研究現(xiàn)狀17
1.7傳熱傳質(zhì)過程構(gòu)形優(yōu)化研究現(xiàn)狀18
1.7.1氣固反應(yīng)器構(gòu)形優(yōu)化18
1.7.2燃料電池構(gòu)形優(yōu)化19
1.8鋼鐵生產(chǎn)流程構(gòu)形優(yōu)化研究現(xiàn)狀20
1.9本書的主要工作及章 節(jié)安排21
第2章 簡單流體流動網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化24
2.1圓盤內(nèi)樹狀流動網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化24
2.1.1脈道表面積約束下的對稱樹狀流動網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化24
2.1.2管道表面積約束下的非對稱樹狀流動網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化34
2.2矩形內(nèi)釋放管道夾角約束的線一線流動網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化38
2.2.1管道體積約束下的線線流動網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化36
2.2.2管道表面積約束下的線線流動網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化43
2.3本章小結(jié)45
第3章 熱水用戶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化47
3.1H形熱水用戶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化48
3.1.1基于壓差與溫度復(fù)合函數(shù)最小的熱水用戶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化48
3.1.2基于煅耗散率最小的熱水用戶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化57
3.2X形熱水用戶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化62
3.2.1基于總壓降最小和用戶熱水溫度最大的熱水用戶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化62
3.2.2基于壓差與溫度復(fù)合函數(shù)最小的熱水用戶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化70
3.3本章小結(jié)75
第4章 肋片構(gòu)形優(yōu)化76
4.1葉形肋片構(gòu)形優(yōu)化77
4.1.1基于最大熱阻最小的葉形肋片構(gòu)形優(yōu)化77
4.1.2基于當(dāng)量熱阻最小的葉形肋片構(gòu)形優(yōu)化84
4.2舵形肋片構(gòu)形優(yōu)化95
4.2.1基于最大熱阻最小的舵形肋片構(gòu)形優(yōu)化96
4.2.2基于當(dāng)量熱阻最小的舵形肋片構(gòu)形優(yōu)化101
4.3TY形肋片當(dāng)量熱阻最小構(gòu)形優(yōu)化107
4.3.1TY形肋片模型107
4.3.2對流傳熱邊界條件下TY形肋片構(gòu)形優(yōu)化108
4.3.3復(fù)合傳熱邊界條件下TY形肋片構(gòu)形優(yōu)化111
4.4復(fù)雜肋片當(dāng)量熱阻最小構(gòu)形優(yōu)化115
4.4.1復(fù)雜肋片模型115
4.4.2對流傳熱邊界條件下復(fù)雜肋片構(gòu)形優(yōu)化116
4.4.3復(fù)合傳熱邊界條件下復(fù)雜肋片構(gòu)形優(yōu)化119
4.5本章小結(jié)120
第5章 冷卻通道構(gòu)形優(yōu)化122
5.1燃?xì)鉁u輪葉片冷卻通道構(gòu)形優(yōu)化122
5.1.1燃?xì)鉁u輪葉片冷卻模型122
5.1.2基于最大溫差最小的渦輪葉片構(gòu)形優(yōu)化125
5.1.3基于*耗散率最小的渦輪葉片構(gòu)形優(yōu)化128
5.2圓盤產(chǎn)熱體冷卻通道構(gòu)形優(yōu)化132
5.2.1基于最大溫差最小的圓盤產(chǎn)熱體冷卻通道構(gòu)形優(yōu)化132
5.2.2基于*耗散率最小的圓盤產(chǎn)熱體冷卻通道構(gòu)形優(yōu)化142
5.3本章小結(jié)148
第6章 脈管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化149
6.1矩形內(nèi)X形脈管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化149
6.1.1基于熵產(chǎn)率最小的脈管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化150
6.1.2基于*耗散率最小的脈管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化159
6.2圓盤內(nèi)樹狀脈管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化167
6.2.1基于*耗散率最小的對稱脈管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化167
6.2.2基于熵產(chǎn)率最小的非對稱脈管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化175
6.2.3基于*耗散率最小的非對稱脈管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)形優(yōu)化185
6.3本章小結(jié)187
第7章 換熱器構(gòu)形優(yōu)化189
7.1矩形內(nèi)H形換熱器構(gòu)形優(yōu)化189
7.1.1基于熱有效性最大的換熱器構(gòu)形優(yōu)化189
7.1.2基于*耗散有效性最大的換熱器構(gòu)形優(yōu)化195
7.2矩形內(nèi)X形換熱器構(gòu)形優(yōu)化198
7.2.1基于熱有效性最大的換熱器構(gòu)形優(yōu)化198
7.2.2基于*耗散有效性最大的換熱器構(gòu)形優(yōu)化206
7.3圓盤內(nèi)樹狀換熱器構(gòu)形優(yōu)化210
7.3.1基于熱有效性最大的換熱器構(gòu)形優(yōu)化210
7.3.2基于*耗散有效性最大的換熱器構(gòu)形優(yōu)化217
7.4本章小結(jié)221
第8章 多孔介質(zhì)傳質(zhì)構(gòu)形優(yōu)化223
8.1基于三角形單元體的多孔介質(zhì)“體點”傳質(zhì)構(gòu)形優(yōu)化224
8.1.1基于最大壓差最小的“體點”傳質(zhì)構(gòu)形優(yōu)化224
8.1.2基于質(zhì)量積耗散率最小的“體點”傳質(zhì)構(gòu)形優(yōu)化232
8.2基于圓柱形單元體的多孔介質(zhì)“體點”傳質(zhì)構(gòu)形優(yōu)化234
8.2.1基于最大壓差最小的“體點”傳質(zhì)構(gòu)形優(yōu)化234
8.2.2基于質(zhì)量積耗散率最小的“體點”傳質(zhì)構(gòu)形優(yōu)化240
8.3存在通道間隙的多孔介質(zhì)“盤點”傳質(zhì)構(gòu)形優(yōu)化245
8.3.1上一級構(gòu)造體最優(yōu)的“盤點”傳質(zhì)構(gòu)形優(yōu)化245
8.3.2釋放上一級構(gòu)造體最優(yōu)的“盤點”傳質(zhì)構(gòu)形優(yōu)化253
8.4本章小結(jié)258
第9章 氣固反應(yīng)器構(gòu)形優(yōu)化259
9.1盤點氣固反應(yīng)器構(gòu)形優(yōu)化259
9.1.1熵產(chǎn)率最小的氣固反應(yīng)器構(gòu)形優(yōu)化259
9.1.2耗散率最小的氣固反應(yīng)器構(gòu)形優(yōu)化268
9.2釋放上一級構(gòu)造體最優(yōu)時的盤點氣固反應(yīng)器構(gòu)形優(yōu)化278
9.2.1一級樹狀圓盤模型278
9.2.2一級樹狀圓盤構(gòu)形優(yōu)化279
9.3本章小結(jié)280
第10章 管式固體氧化物燃料電池構(gòu)形優(yōu)化282
10.1單管式固體氧化物燃料電池構(gòu)形優(yōu)化282
10.1.1管式固體氧化物燃料電池模型282
10.1.2基于輸出功率最大的管式固體氧化物燃料電池構(gòu)形優(yōu)化288
10.2管式燃料電池與燃?xì)廨啓C混合系統(tǒng)構(gòu)形優(yōu)化294
10.2.1管式燃料電池與燃?xì)廨啓C混合系統(tǒng)模型294
10.2.2基于輸出功率最大的管式燃料電池與燃?xì)廨啓C混合系統(tǒng)構(gòu)形優(yōu)化297
10.3本章小結(jié)299
第11章 廣義傳遞過程構(gòu)形優(yōu)化301
11.1圓盤內(nèi)廣義流動過程構(gòu)形優(yōu)化302
11.1.1最大流動時間最小的廣義流動過程構(gòu)形優(yōu)化302
11.1.2平均流動時間最小的廣義流動過程構(gòu)形優(yōu)化309
11.2板坯連鑄過程廣義構(gòu)形優(yōu)化311
11.2.1板坯連鑄過程模型和溫度場驗證311
11.2.2廣義構(gòu)形優(yōu)化思想314
11.2.3基于熱損失的板坯連鑄過程廣義構(gòu)形優(yōu)化315
11.2.4基于耗散的板坯連鑄過程構(gòu)形優(yōu)化322
11.3帶鋼層流冷卻過程廣義構(gòu)形優(yōu)化325
11.3.1帶鋼層流冷卻過程模型325
11.3.2基于耗散的帶鋼層流冷卻過程構(gòu)形優(yōu)化328
11.4鋼鐵生產(chǎn)流程廣義熱力學(xué)優(yōu)化333
11.5廣義傳遞過程的廣義構(gòu)形優(yōu)化335
11.5.1廣義傳遞過程模型335
11.5.2廣義構(gòu)形優(yōu)化中的廣義勢差和廣義流量極值原理336
11.5.3廣義構(gòu)形優(yōu)化中的廣義耗散極值原理337
11.5.4廣義傳遞過程廣義構(gòu)形優(yōu)化的應(yīng)用338
11.6本章小結(jié)347
第12章 全書總結(jié)349
參考文獻357
附錄主要符號說明394