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《清华大学》 2001年
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导热和对流换热过程的强化与优化

夏再忠  
【摘要】: 建立在整体性能的描述和评判基础上的传热强化的目标是适应和促进高热流。传热强化的途径是依靠各种强化技术来改变热量在空间内的输运过程,通常是通过设计热过程的局部行为而实现整体性能的强化。当考虑局部设计的约束条件时,传热强化则表现出从整体到局部的过程优化的特征。也就是说,为使传热整体性能达到最优如何去设计过程的局部行为。本文以导热和对流换热的过程为研究对象,借助变分原理解决传热强化理论研究的基本问题,并为具体强化技术的选择和实施提供理论指导。 对于导热强化,提出并理论证明了温度梯度全场均匀化是控制导热系数空间最优分布的基本原则。基于这一原则,提出并采用了仿生方法来寻找一定量的高导热材料在导热空间内的构造形式,以使给定温差下的传热量达到最大。对于对流换热强化,提出并理论证明了场协同方程是控制着流动阻力一定下传热整体性能达到最优时的速度场。对于翅片强化对流换热,提出用填充率、扩展量和伸展方向这三个物理量在空间内的分布来描述翅片系统的一般结构,并建立了相应的热量输运模型。在此基础上,提出并理论证明了低阻力高传热的翅片结构的优化设计应遵循的三个基本原则。 为了用数值方法研究传热过程的优化,发展了一种基于同位网格的流场计算的双速度算法以及描述各优化原则的迭代过程。针对具体模型的计算结果表明过程优化可带来显著的传热强化效果,对强化技术研究具有理论指导意义。在仿生优化中,通过数值模拟复现了一个确定性的简单原则控制下的纷繁复杂的高导热材料几何形状的演变过程。在速度场优化中,数值模拟结果明确地指出设计具体强化方式时该如何去“掺混”流体以使传热强化效果达到最大。随着对流换热空间的几何形状、边界特征和流动总阻力的变化,最优速度场表现出的流态结构由量变到质变的过程充分证明了速度场与热流场之间的相互协同关系,从而进一步丰富和发展了对流换热的场协同理论。在翅片结构优化中,数值模拟结果提供了应在何处去扩展翅片面积以及扩展多少等详细的局部构造信息。基于理论分析的结果,设计加工了两种带有纤毛状翅片结构的强化换热管,实验测试结果表明,它们具有高传热和低阻力的优越特性,支持了翅片结构优化的结论。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TK124

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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5 俞接成;脉冲流动和壁面振动传热研究[D];清华大学;2005年
6 程新广;(火积)及其在传热优化中的应用[D];清华大学;2004年
7 孔松涛;热量运输机理及其在混沌流强化传热中的应用研究[D];郑州大学;2007年
8 李晓伟;通道湍流换热强化的数值与实验研究[D];清华大学;2008年
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9 张杏祥;螺旋扭曲扁管换热器传热与流阻特性研究[D];南京工业大学;2006年
10 吴凯东;干式蒸发器强化传热与节能研究[D];华南理工大学;2010年
【参考文献】
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10 姚志彪;环形管内涡旋流动特性及传热机理研究[J];化学工程;1997年01期
【共引文献】
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4 张富强,王久彬;连铸坯凝固过程中传输现象基础知识系列讲座 第十二讲 流体运动基础[J];鞍钢技术;1998年05期
5 张富强,王久彬;连铸坯凝固过程中传输现象基础知识系列讲座 第十三讲 连铸结晶器中钢液流动的研究[J];鞍钢技术;1998年06期
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7 宋艳丽,王玉平,李前名;非平衡态热力学在核素迁移行为研究中的应用[J];安徽大学学报(自然科学版);2005年05期
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9 邓先琛;质流相似法原理与过程分析[J];安徽工学院学报;1995年01期
10 王志强,曹明礼,龚安华,苏青青;相变储热材料的种类、应用及展望[J];安徽化工;2005年02期
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3 牛振江;杜小光;孙雅峰;叶青;李则林;杨防祖;姚士冰;周绍民;;电流密度和添加剂条件对甲基磺酸体系锡镀层织构的影响[A];2004年全国电子电镀学术研讨会论文集[C];2004年
4 王卫红;田世民;孟志华;赖瑞勋;;黄河下游游荡性河道河型变化及成因分析[A];第三届全国河道治理与生态修复技术交流研讨会专刊[C];2011年
5 周思柱;陈翔;吴汉川;祝克强;黄天成;;混砂车搅拌罐流场分析方法[A];非常规油气资源勘探开发装备及应用技术研讨会论文集[C];2011年
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8 张同荣;欧阳新萍;姜帆;司少娟;;斜翅型冷凝强化换热管传热性能的实验研究[A];走中国创造之路——2011中国制冷学会学术年会论文集[C];2011年
9 姜帆;欧阳新萍;李海珍;张同荣;;Turbo-B类池沸腾双侧强化管传热性能实验研究[A];走中国创造之路——2011中国制冷学会学术年会论文集[C];2011年
10 石正军;唐涛;赵晓平;;多孔介质对自流式充气影响的数值模拟[A];第二届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2006年
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1 穆勇;燃气轮机双燃料燃烧室流场及污染排放数值研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 陈彩芳;四种细胞色素P450酶在半滑舌鳎繁殖生理机能中的作用研究[D];中国海洋大学;2010年
3 刘芬;注射成型过程中多相聚合物相形态演变的建模与模拟[D];华中科技大学;2010年
4 王亚珍;基于热力耦合的界面摩擦机理的研究[D];华南理工大学;2010年
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7 起华荣;A356合金熔体调控对流动性的影响机理研究[D];昆明理工大学;2009年
8 刘显茜;生物多孔材料非稳态收缩及其对传热传质影响研究[D];昆明理工大学;2010年
9 龚玮;皮肤选择性光热解效应与光疗及热损伤的评估方法和技术[D];福建师范大学;2010年
10 崔永章;内置折边扭带管内混合气体对流凝结换热与阻力性能研究[D];山东大学;2011年
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1 陈秀荣;氰戊菊酯对草鱼CYP3A活性的影响及组织毒理学研究[D];华中农业大学;2010年
2 张战锋;塞流式厌氧发酵反应器物料流场的CFD模拟[D];华中农业大学;2010年
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8 杨静;内脏脂肪素对人血管内皮细胞MMP-1、TIMP-1及ICAM-1表达的影响[D];郑州大学;2010年
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10 谷骁勇;基于ANSYS的离心压缩机主要零件建模和受力分析[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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8 甘云华;硅基微通道内流动与传热的可视化测量及其规律的研究[D];中国科学技术大学;2006年
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10 王崧;纤毛状肋和插入物的传热强化研究[D];清华大学;1999年
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1 刘晓俊;车辆散热器模块试验研究[D];浙江大学;2010年
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【二级引证文献】
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1 王振通;李维;陈欢;;低不凝性气体含量下水平螺旋扁管管束中的沸腾换热实验研究[J];低温与超导;2010年10期
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8 陈群;任建勋;;传质势容耗散极值原理及通风排污过程的优化[J];工程热物理学报;2007年03期
9 李晓伟;孟继安;陈泽敬;李志信;;微肋管及强化微肋管换热和阻力实验研究[J];工程热物理学报;2007年05期
10 李晓伟;孟继安;陈泽敬;李志信;;不连续双斜内肋管的管外换热性能[J];工程热物理学报;2008年02期
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1 魏文建;李华;;点波板式换热器流动换热特性研究[A];走中国创造之路——2011中国制冷学会学术年会论文集[C];2011年
2 冯辉君;陈林根;谢志辉;孙丰瑞;;对流和辐射边界条件下轧钢加热炉壁绝热层(火积)构形优化[A];高等学校工程热物理第十九届全国学术会议论文集[C];2013年
3 冯辉君;陈林根;丁泽民;孙丰瑞;;基于热损失率目标的板坯连铸凝固传热过程多目标优化[A];高等学校工程热物理第十九届全国学术会议论文集[C];2013年
4 宋天珩;高军;翟耀芳;张智力;朱鸣;王健;;盐水实验模型盐源入口湍流强化设计研究[A];上海市制冷学会2013年学术年会论文集[C];2013年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 柴本银;振荡流热管换热器换热性能及其在干燥系统中的应用研究[D];山东大学;2010年
2 王治刚;东北地区温室生物质能量供给系统及控制方式研究[D];吉林大学;2011年
3 郭江峰;换热器的热力学分析与优化设计[D];山东大学;2011年
4 蒋夫花;大型轴流管壳式换热器中的深度换热[D];华南理工大学;2011年
5 蒋乐伦;扁平热管微孔槽烧结复合吸液芯成形及传热性能研究[D];华南理工大学;2011年
6 贺占蜀;交错互通微通道多孔网格板制造及其强化传热研究[D];华南理工大学;2011年
7 郭剑;管内强化换热的理论和实验研究[D];华中科技大学;2012年
8 俞接成;脉冲流动和壁面振动传热研究[D];清华大学;2005年
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10 孔松涛;热量运输机理及其在混沌流强化传热中的应用研究[D];郑州大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王畅;流量波动条件下的流动与传热特性研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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1 汪勤模;35℃:高温和中暑的预警温度[N];中国气象报;2001年
2 李晓鹏 本报记者 李静华;室温控制器让地暖更舒适[N];中国房地产报;2004年
3 蒋小军 本报记者 程超;美国“烈骑”挺进中国西部[N];中国房地产报;2004年
4 爱群;如何设定空调温度[N];西南电力报;2001年
5 本报记者 马晓峰;红外辐射采暖器[N];中国房地产报;2003年
6 ;薄型铜管铝片对流散热器[N];中国有色金属报;2003年
7 本报记者 程超;Nexans发热电缆 铺就舒适生活[N];中国房地产报;2004年
8 米家华 崔厚寅;U型玻璃外墙的热工计算[N];中国建材报;2010年
9 本报记者 倪凤友;低温地板辐射采暖:给寒冷的房市加点温[N];中华建筑报;2009年
10 记者白茂槐 通讯员张俊;国内首创电弧炉一次烟气喷雾冷却净化工艺[N];中国冶金报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘波;超临界压力流体在圆管内对流换热及热裂解研究[D];清华大学;2013年
2 贾晖;管内单相对流换热的优化和评价[D];华中科技大学;2013年
3 贾晖;管内单相对流换热的优化和评价[D];华中科技大学;2013年
4 杨立军;磁场作用下的对流换热及其场协同分析[D];清华大学;2003年
5 张冠敏;复合波纹板式换热器强化传热机理及传热特性研究[D];山东大学;2006年
6 罗爱辉;电阻点焊电极热流耦合分析与对流换热特性研究[D];上海交通大学;2007年
7 何燕;轮胎非稳态温度场的研究[D];华中科技大学;2005年
8 吕静;二氧化碳跨临界循环及换热特性的研究[D];天津大学;2005年
9 栾志坚;新型板式换热器内高粘性流体传热与流动特性研究[D];山东大学;2009年
10 万飞;立式连续热处理炉带钢加热与冷却数学模型理论研究与应用[D];重庆大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张战恩;覆冰环境条件下空气横掠导线对流换热问题研究[D];长沙理工大学;2011年
2 徐华;微注塑成型充模流动中对流换热的实验研究[D];大连理工大学;2010年
3 曾军明;圆盘平动与转动周面对流换热比拟研究[D];青岛科技大学;2011年
4 李科;裂隙岩体热—水—力三场耦合模型试验与对流换热的理论分析[D];北京交通大学;2012年
5 于明跃;多孔固体构架与气流对流换热特性数值研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
6 房达;空气—水蒸气混合气体凝结与对流换热特性的数值模拟[D];山东大学;2014年
7 谢婕;多孔全覆盖气膜冷却数值和实验研究[D];南京航空航天大学;2010年
8 邢栋;变压器绕组油道内的对流换热性能实验研究[D];河北工业大学;2012年
9 姬鹏云;对流换热的HSMAC数值方法[D];兰州交通大学;2013年
10 张翔;缝槽壁面强制对流换热研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
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