流動和傳熱傳質(zhì)過程的多目標構(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)問題開展了多學科、多目標、多尺度構(gòu)形優(yōu)化研究。《流動和傳熱傳質(zhì)過程的多目標構(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、熱水用戶網(wǎng)絡、肋片、冷卻通道、脈管網(wǎng)絡、換熱器網(wǎng)絡、多孔介質(zhì)傳質(zhì)網(wǎng)絡、氣固反應器、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)流程廣義熱力學優(yōu)化理論，給出了解決不同構(gòu)形設計問題的統(tǒng)一方法。
《流動和傳熱傳質(zhì)過程的多目標構(gòu)形優(yōu)化》對多學科交叉融合、不同優(yōu)化準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)嚴謹、概念新穎、難易適中，可供微電子器件設計、鋼鐵行業(yè)節(jié)能設計、換熱設備設計等眾多工程設計領(lǐng)域的科技人員參考，也可作為高等學校能源動力類相關(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)化設計提供了重要的理論基礎。
本書在全面深入地了解熵產(chǎn)生最小化（有限時間熱力學）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)有研究成果的基礎上，遵循從單純的熱力學和傳熱學到多學科交叉融合、從單目標優(yōu)化到多目標優(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)過程以及氣固反應器和固體氧化物燃料電池傳熱傳質(zhì)過程進行多學科、多目標、多尺度構(gòu)形優(yōu)化，得到不同優(yōu)化目標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)設計及性能優(yōu)化提供科學依據(jù)和理論指導。
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對圓盤區(qū)域內(nèi)對稱樹狀流動網(wǎng)絡，以總泵功率最小為目標對圓盤區(qū)域內(nèi)非對稱樹狀流動網(wǎng)絡分別進行構(gòu)形優(yōu)化；建立新的流動網(wǎng)絡模型——釋放管道夾角約束的線一線流動網(wǎng)絡模型，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——壓差和溫度復合函數(shù)目標及熾耗散率目標，并建立新的熱水用戶網(wǎng)絡模型-X形熱水用戶網(wǎng)絡模型；分別以壓差和溫度復合目標最小及煅耗散率最小為目標，對矩形內(nèi)H形熱水用戶網(wǎng)絡模型進行構(gòu)形優(yōu)化；分別采用以熱水用戶網(wǎng)絡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合目標最小的全局優(yōu)化方法，對矩形內(nèi)X形熱水用戶網(wǎng)絡進行構(gòu)形優(yōu)化，并對兩種優(yōu)化目標下的熱水用戶網(wǎng)絡最優(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)絡構(gòu)形優(yōu)化9
1.4.2熱水用戶網(wǎng)絡構(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)絡構(gòu)形優(yōu)化24
2.1圓盤內(nèi)樹狀流動網(wǎng)絡構(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)絡構(gòu)形優(yōu)化47
3.1H形熱水用戶網(wǎng)絡構(gòu)形優(yōu)化48
3.1.1基于壓差與溫度復合函數(shù)最小的熱水用戶網(wǎng)絡構(gòu)形優(yōu)化48
3.1.2基于煅耗散率最小的熱水用戶網(wǎng)絡構(gòu)形優(yōu)化57
3.2X形熱水用戶網(wǎng)絡構(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)絡構(gòu)形優(yōu)化62
3.2.2基于壓差與溫度復合函數(shù)最小的熱水用戶網(wǎng)絡構(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基于當量熱阻最小的舵形肋片構(gòu)形優(yōu)化101
4.3TY形肋片當量熱阻最小構(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復合傳熱邊界條件下TY形肋片構(gòu)形優(yōu)化111
4.4復雜肋片當量熱阻最小構(gòu)形優(yōu)化115
4.4.1復雜肋片模型115
4.4.2對流傳熱邊界條件下復雜肋片構(gòu)形優(yōu)化116
4.4.3復合傳熱邊界條件下復雜肋片構(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燃氣渦輪葉片冷卻通道構(gòu)形優(yōu)化122
5.1.1燃氣渦輪葉片冷卻模型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)絡構(gòu)形優(yōu)化149
6.1矩形內(nèi)X形脈管網(wǎng)絡構(gòu)形優(yōu)化149
6.1.1基于熵產(chǎn)率最小的脈管網(wǎng)絡構(gòu)形優(yōu)化150
6.1.2基于*耗散率最小的脈管網(wǎng)絡構(gòu)形優(yōu)化159
6.2圓盤內(nèi)樹狀脈管網(wǎng)絡構(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 氣固反應器構(gòu)形優(yōu)化259
9.1盤點氣固反應器構(gòu)形優(yōu)化259
9.1.1熵產(chǎn)率最小的氣固反應器構(gòu)形優(yōu)化259
9.1.2耗散率最小的氣固反應器構(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管式燃料電池與燃氣輪機混合系統(tǒng)構(gòu)形優(yōu)化294
10.2.1管式燃料電池與燃氣輪機混合系統(tǒng)模型294
10.2.2基于輸出功率最大的管式燃料電池與燃氣輪機混合系統(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
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