导热和对流换热过程的强化措施和优化
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本文的： 传热量Q 一定下，考察热势 损失 J 的大小
收益：传热量Q 付出：热势损失 J
热势损失统一的体积分表达式
n
dA
任意的导热 和对流换热
过程
J
k T 2 dV
热势损失建立了整体与局部之间
的桥梁关系
k T 2 ，热耗散函数，有
2、 工程意义。就如何在导热空间内布置一定体 积的高导热材料，来取得最大的导热强化效 果，提供了新的工程寻优方法。
导热系数分布的优化
☆ 仿生优化过程：从简单到复杂 ☆ 优化原则？？？ ☆ 探求优化原则：从复杂到简单
过程优化概念
优化：设计某种系统或过程，使得： 付出一定时，取得最大的收益； 或者，收益一定时，只需最小的付出。
前言
☆ 概述 ☆ 研究现状 ☆ 本文内容
概述
传热强化：促进和适应高热流 (Bergles)
●动力、石油、冶金、化工、制冷以及食品等传统工业 ●航空、航天及核聚变等尖端科技领域 ●能源、环保、微电子和生物技术等高新科技领域
最
早：冷凝器水侧换热强化, 焦耳(1861)
上世纪60年代: 开始蓬勃发展
现
理论研究：从整体到局部的设计过程
基本问题：考虑约束条件时，如何设计传热过程的局部行 为，以使整体性能达到最优？
导热过程的仿生优化 ☆ 一维问题：热流管，热阻均匀化。 ☆ 二维和三维问题：？
复杂模型的优化问题
1、几何形状复杂的三维导热
如何布置高导热材料？
c
导热区域
2、“体点”问题
点 体 绝热
热源
☆ 导热的反问题 ☆ 无限多的构造形式中寻找最优 ☆ 数学方法？难度太大 ☆ 制定方案法？工作量巨大，未
场协同：三个标量场的协同,可以提高热源的强度
1 v
U T dy ,从而提高 Nux 。
0
理论意义：为对流换热强化的理论研究指
出了基本思路和方向
理论研究涉及的基本问题
强化目标： 温差一定下，提高总传热量 定义在传热过程整体性能的描述和评判上
强化途径： 改变热量输运过程的局部行为 布置高导热材料、改变导热系数分布、改变 速度场、加装翅片
必找到最优 ☆ 我们的方法?
自然界的启发
☆ 植物根系分布 ──吸收水和养分 ☆ 肺叶支气管分布 ──向血液供氧 ☆ 树叶、神经和血管系统、流域分布、放电
现象等
肺叶
根系
本文的构造：仿生优化
自然选择
● 优胜劣汰 ● “最大收益”或最小阻力 ── 树状结构是自然选择的结果
仿生优化
── 用生命演化过程来模拟高导热材料布 置形式的寻优过程 。
生命体的退化：
生命体首先废弃那些承担导热任务最小的组织, 也就是说温度梯度最小的“单元”
演化的结果是温度梯度全场均匀化。
实例2：二维导热优化问题
绝热壁面
0.5 基体(导热系数为1)
填充体积一 定的高导热 材料，使得 传热量达到 最大。
2 1.5
25
数值计算模拟演化过程
仿生构造的最优高导热材料结构
过程优化：设计系统或过程内部的局部行为， 优化其整体性能 (总付出和总收益)。
局部行为： 导热系数分布或高导热材料的布置形式； 速度矢量分布(大小和方向)； 翅片系统中翅片的结构形状；
先要解决的问题
如何描述整体性能？
即：如何表达传热过程中的“付出” 和“收益”？
需定义一个评判物理量： ☆ 具有统一和普适意义 ☆ 能判别热量输运性能的优劣 ☆ 能在传热整体性能与局部行为之
什么是仿生?
生 命 体 ── 呈现一定有序结构的高导热材料
自然环境 ── 空间及其特征 (几何形状和边界
条件, 源的大小和分布, 基体的导热性能等)
遵循特定的准则,生命体演化出的最终组织 结构就是高导热材料的最优布置形式。 演化准则 ── ？
演化准则
生命体的进化：
任何时刻生命体的生长首先在温度梯度最大的 部位上进行.
20~25％ 的提高
自然选择 优于
人工构造
仿生优化的意义
关 键：确定性的、唯一的简单原则: 温度梯度全场均匀化
实 质：高导热材料的自我复制和自我组织过程 数值模拟：自复制和自组织过程的复现 工程技术：自组织成的最优结构的工程实现
仿生优化：从简单到复杂过程
本章小结
1、 理论意义。为导热优化提出了新思想: 从简 单到复杂、自然选择、自组织等。
导热：树网构形理论(Bejan, 1997至今)
0
qH 0 L0W
k0 , q k0 , q
L0
P D0 kp
H0
P
基本单元
树形构造
理论意义：提出以基本单元为基础的，从大 到小逐步细化的构造思想。
对流换热：场协同理论 (过增元, 1999至今)
1
场分析： Rex Pr 0 U T cos dy Nux 三个标量场： U , T , cos
传热强化理论研究
Bergles(1997): 长期以来，传热强化是经验性质的技术学科，
理论研究进展缓慢。
导热：降低热阻 对流换热：牛顿冷却定律（Newton，1701）
边界层理论 （Prandtl，1904） 数值传热学（Spalding&Patankar，1970）
近年来，传热强化理论研究取得了长足的发展。
较大导热系数的生命体
较小导热系数的生命体
演化前后的温度场（k=10）
y coordinate y coordinate
5
4
3
2
1
00来自百度文库
1
2
3
4
x coordinate
演化前
5
4
3
2
1
00
1
2
3
4
x coordinate
演化后
性能对比 仿生构造
垂直构造
优化枝条的 宽度比：2.2
同温差下的传热量对比
今：每年可检索400多篇，约占10%以上
传热强化技术研究
强化技术： 导热：选用或添加高导热材料，降低接触热阻 对流换热：有源、无源和混合技术
研究过程： 直接面向工程 针对某种具体强化方式 作各影响参数下的性能实验和计算分析 总结规律，并解释其强化机制 归纳出经验关联式供设计使用
间建立“桥梁”关系
热势损失
h
c
导热区域
伴随热量输运过程的热势迁移： 热流×温度，即：Q T
因此，热势为：
E
1 2
mc pT
2
输进的热势：Q Th 传出的热势：Q Tc 热势的损失： J Q Th Q Tc Q T , J 0
传热性能的评判标准
传统的： T 一定下，考察传热量Q 的 大小
收益：传热量Q 付出：热势损失 J
热势损失统一的体积分表达式
n
dA
任意的导热 和对流换热
过程
J
k T 2 dV
热势损失建立了整体与局部之间
的桥梁关系
k T 2 ，热耗散函数，有
2、 工程意义。就如何在导热空间内布置一定体 积的高导热材料，来取得最大的导热强化效 果，提供了新的工程寻优方法。
导热系数分布的优化
☆ 仿生优化过程：从简单到复杂 ☆ 优化原则？？？ ☆ 探求优化原则：从复杂到简单
过程优化概念
优化：设计某种系统或过程，使得： 付出一定时，取得最大的收益； 或者，收益一定时，只需最小的付出。
前言
☆ 概述 ☆ 研究现状 ☆ 本文内容
概述
传热强化：促进和适应高热流 (Bergles)
●动力、石油、冶金、化工、制冷以及食品等传统工业 ●航空、航天及核聚变等尖端科技领域 ●能源、环保、微电子和生物技术等高新科技领域
最
早：冷凝器水侧换热强化, 焦耳(1861)
上世纪60年代: 开始蓬勃发展
现
理论研究：从整体到局部的设计过程
基本问题：考虑约束条件时，如何设计传热过程的局部行 为，以使整体性能达到最优？
导热过程的仿生优化 ☆ 一维问题：热流管，热阻均匀化。 ☆ 二维和三维问题：？
复杂模型的优化问题
1、几何形状复杂的三维导热
如何布置高导热材料？
c
导热区域
2、“体点”问题
点 体 绝热
热源
☆ 导热的反问题 ☆ 无限多的构造形式中寻找最优 ☆ 数学方法？难度太大 ☆ 制定方案法？工作量巨大，未
场协同：三个标量场的协同,可以提高热源的强度
1 v
U T dy ,从而提高 Nux 。
0
理论意义：为对流换热强化的理论研究指
出了基本思路和方向
理论研究涉及的基本问题
强化目标： 温差一定下，提高总传热量 定义在传热过程整体性能的描述和评判上
强化途径： 改变热量输运过程的局部行为 布置高导热材料、改变导热系数分布、改变 速度场、加装翅片
必找到最优 ☆ 我们的方法?
自然界的启发
☆ 植物根系分布 ──吸收水和养分 ☆ 肺叶支气管分布 ──向血液供氧 ☆ 树叶、神经和血管系统、流域分布、放电
现象等
肺叶
根系
本文的构造：仿生优化
自然选择
● 优胜劣汰 ● “最大收益”或最小阻力 ── 树状结构是自然选择的结果
仿生优化
── 用生命演化过程来模拟高导热材料布 置形式的寻优过程 。
生命体的退化：
生命体首先废弃那些承担导热任务最小的组织, 也就是说温度梯度最小的“单元”
演化的结果是温度梯度全场均匀化。
实例2：二维导热优化问题
绝热壁面
0.5 基体(导热系数为1)
填充体积一 定的高导热 材料，使得 传热量达到 最大。
2 1.5
25
数值计算模拟演化过程
仿生构造的最优高导热材料结构
过程优化：设计系统或过程内部的局部行为， 优化其整体性能 (总付出和总收益)。
局部行为： 导热系数分布或高导热材料的布置形式； 速度矢量分布(大小和方向)； 翅片系统中翅片的结构形状；
先要解决的问题
如何描述整体性能？
即：如何表达传热过程中的“付出” 和“收益”？
需定义一个评判物理量： ☆ 具有统一和普适意义 ☆ 能判别热量输运性能的优劣 ☆ 能在传热整体性能与局部行为之
什么是仿生?
生 命 体 ── 呈现一定有序结构的高导热材料
自然环境 ── 空间及其特征 (几何形状和边界
条件, 源的大小和分布, 基体的导热性能等)
遵循特定的准则,生命体演化出的最终组织 结构就是高导热材料的最优布置形式。 演化准则 ── ？
演化准则
生命体的进化：
任何时刻生命体的生长首先在温度梯度最大的 部位上进行.
20~25％ 的提高
自然选择 优于
人工构造
仿生优化的意义
关 键：确定性的、唯一的简单原则: 温度梯度全场均匀化
实 质：高导热材料的自我复制和自我组织过程 数值模拟：自复制和自组织过程的复现 工程技术：自组织成的最优结构的工程实现
仿生优化：从简单到复杂过程
本章小结
1、 理论意义。为导热优化提出了新思想: 从简 单到复杂、自然选择、自组织等。
导热：树网构形理论(Bejan, 1997至今)
0
qH 0 L0W
k0 , q k0 , q
L0
P D0 kp
H0
P
基本单元
树形构造
理论意义：提出以基本单元为基础的，从大 到小逐步细化的构造思想。
对流换热：场协同理论 (过增元, 1999至今)
1
场分析： Rex Pr 0 U T cos dy Nux 三个标量场： U , T , cos
传热强化理论研究
Bergles(1997): 长期以来，传热强化是经验性质的技术学科，
理论研究进展缓慢。
导热：降低热阻 对流换热：牛顿冷却定律（Newton，1701）
边界层理论 （Prandtl，1904） 数值传热学（Spalding&Patankar，1970）
近年来，传热强化理论研究取得了长足的发展。
较大导热系数的生命体
较小导热系数的生命体
演化前后的温度场（k=10）
y coordinate y coordinate
5
4
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00来自百度文库
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x coordinate
演化前
5
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2
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00
1
2
3
4
x coordinate
演化后
性能对比 仿生构造
垂直构造
优化枝条的 宽度比：2.2
同温差下的传热量对比
今：每年可检索400多篇，约占10%以上
传热强化技术研究
强化技术： 导热：选用或添加高导热材料，降低接触热阻 对流换热：有源、无源和混合技术
研究过程： 直接面向工程 针对某种具体强化方式 作各影响参数下的性能实验和计算分析 总结规律，并解释其强化机制 归纳出经验关联式供设计使用
间建立“桥梁”关系
热势损失
h
c
导热区域
伴随热量输运过程的热势迁移： 热流×温度，即：Q T
因此，热势为：
E
1 2
mc pT
2
输进的热势：Q Th 传出的热势：Q Tc 热势的损失： J Q Th Q Tc Q T , J 0
传热性能的评判标准
传统的： T 一定下，考察传热量Q 的 大小