卫生防疫-八项规定自查报告

第２９卷第２期
２００８年２月
工程热物理学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥ ＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ＴＨＥＲＭＯＰＨＹＳＩＣＳ
Ｖ０１．２９，Ｎｏ．２
Ｆｅｂ． ，２００８
对流换热过程的热力学优化与传热优化
陈群吴
摘要
晶
任建 勋
（清华大学工程力学系，北京１０００８４）
为了进一步明确对流换热过程中热力学优化与传 热优化之间的差异，本文分别利用熵产最小原理、煅耗散极值
原理针对两种边界条件下的对流换热问题进 行分析，讨论熵产，敞耗散与有用能损失以及对流换热能力之间的关系．结果
表明。熵产最小意味着系统 的有用能损失最小，但并不反映系统的对流换热能力的强弱；而频耗散取极值意味着系统的
对流换热能力 最强，但与系统的有用能损失不存在对应关系。因此，对于将降低有用能损失作为优化目标的换热问题应采
用熵产最小原理进行分析；而对于需要将提高换热能力作为优化目标的对流换热问题应采用煅耗散极值原理进行 分析．
关键词对流换热；熵产最小原理；煨耗散极值原理；优化
中图分类号・ＴＫｌ２４
文献标识码：Ａ
文章编号ｔ０２５３－２３１Ｘ（２００８）０２－０２７１－０４
ＴＨＥＲ ＭｏＤＹＮＡＭＩＣｏＰＴＩＭＩＺＡＴＩｏＮ
ｏＰＴＩＭＩＺＡＴＩｏＮ
ＡＮＤＨＥ
ＡｒＩ＇ＴＲＡＮＳＦＥＲ
ＦｏＲＣｏＮＶＥＣＴＩＶＥＨＥＡＩＴＴＲＡＮＳＦＥＲ
Ｑｕｎ、 ＶＵ
Ｊｉｎｇ
ＲＥＮＪｉａｎ－ＸｕｎＣＨＥＮ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
Ａｂ ｓｔｒａｃｔＩｎｔｈｅ
ｏｆ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｔｓｉｎ ｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉ瓴Ｂｅｉｊｉｎｇ
ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ
１０００８４，Ｃｈｉｎａ ）
ｉｎｔｅｒｅｓｔｏｆ
ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅ
ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ
ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
ａｎｄｔｈｅｈｅａｔ
ｔｒａｎｓｆ ｅｒ
ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ａ
ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ
ｐｒｏｃｅｓｓ
ｗｉｔｈｔｗｏ
ｔｙｐｅｓ
ｏｆ
ｔｈｅｒｍａｌ
ｂｏ ｕｎｄａｒｙ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｔｈｅ
ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈ ｉｐ
ｂｅｔｗｅｅｎ
ｅｎｔｒｏｐｙ
ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｅｎｔｒａｎｓｙｄｉｓ ｓｉｐａｔｉｏｎ，
ｅｘｅｒｇｙ
ｌｏｓｓａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ
ｐｅｒｆ ｏｒｍａｎｃｅ
ｗａｓ
ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏ ｗｔｈａｔｔｈｅ
ｍｉｎｉｍｕｍ
ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
ｅｎｔｒｏｐｙ
ｍｅ ａｎｓ
ｔｈｅ
ｍｉｎｉｍｕｍ
ｅｘｅｒｇｙｌｏｓｓ，ｗｈｉｌｅ
ｔｈｅｅＸｔｒｅｍｕｍ
ｅｎｔｒａｎｓｙ
ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ
ｍｅａｎｓ
ｔｈｅ
ｂｅｓｔｈｅａｔ
ｔｒａｎｓｆｅｒ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏ ｒｅ，ｆｏｒ
ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ
ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
ｗｉｔｈｄｉｆｆ ｅｒｅｎｔ
ｏｂｊｅｃｔｓ．
ｔｈｅ
ｍｉｎｉｍｕｍ
ｅｎｔｒｏｐｙｇｅｎｅ ｒａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
ｓｈｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄ
ｔｏｒｅｄｕｃｅ
ｅｘｅ ｒｇｙｌｏｓｓ，ｗｈｉｌｅ
ｔｈｅ
ｅｘｔｒｅｍｕｍ
ｅｎｔｒａｎｓｙ
ｄｉ ｓｓｉｐａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
ｓｈｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄ
ｔｏ
ｅｎｈａｎｃ ｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅｈｅａｔ
Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ
ｔｒａｎｓｆｅｒ；ｍｉｎｉｍｕｍ
ｅｎｔｒｏｐｙ
ｇｅ ｎｅｒａｔｉｏｎ；ｅｘｔｒｅｍｕｍ
ｅｎｔｒａｎｓｙ
ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ
ｐｒ ｉｎｃｉｐｌｅ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
１背景
对流换热过程广泛存在于人类生产、生活的 各个
领域。优化对流换热过程可以提高能源利用效率，减
小设备投资，最终达到节能的目标．Ｂ ｅｊａｎ［１，２Ｊ从不可
认为在传热过程中虽然热量是守恒的，但由于热阻
的存在，煅不守恒 ，煨耗散代表了传热过程的不可
逆程度．在此基础上，提出了炽耗散极值原理，认为
在给定约束 条件的前提下，当炽耗散取得极值时，
系统的传热能力达到最优．孟继安ｆ９】基于炽耗散极
逆 过程热力学出发，利用熵产原理分析对流换热过
程，给出了流体在流动和传热过程中的熵产表达式，并以熵产最小为目标对对流换热过程进行优化．文
值原理，在粘性耗散一定的条件下，运用变分原理
导出了换热能力最优的速度场控制方程一场协同
方程，并获得了对流换热能力最优的速度场．< br>熵的概念以及熵产最小原理建立的初衷是为了
分析热功转换过程中热量与机械功之间的转换效率．例如在热机循环过程中，输入热量给定时，熵
产最小代表系统输出的机械功最大；在制冷循环过
程中，制冷量给定时，熵产最小代表系统消耗的机械
献［３卜【７】分别针对不同类型的对流换 热问题，分析
了几何、流动以及热边界条件对系统熵产的影响，
在此基础上以熵产最小为目标对 上述过程进行热力
学优化．
为了从传热学的角度评价系统热量传递的能
力，过增元提出 一个新的物理量一煅，（ｅｎｔｒａｎｓｙ）［剐，
功最小．而文献【１卜【７】只是以熵产最小为目标 ，优
收稿日期。２００７－１１．２９；修订日期；２００８－０１．０３
作者简介・陈群（１ ９８１－），男，江苏盐城人，博士生，主要从事对流传递过程中的场协同理论与应用研究．
万方数据　

工程热物理学报
２９卷
化对流换热过程，但并未明确指出在对流换热过 程
中熵产最小的目的是什么。以热量传递为目标的对
流换热过程关注的是热量传递的速率以及传 热过程
中消耗的机械能，它应不同于以热功转换效率为目
标的有用能分析或熵产分析．因此，有 必要讨论对
流换热优化过程中熵产最小原理与搬耗散极值原理
的差别及其适用性问题。本文分别 针对等壁温、等热
流边界条件下的对流换热问题，分析熵产和煅耗散
的物理意义，寻找优化对流 换热过程的合适途径。
２熵产最小原理
２．１等温边界条件
不可压缩流体对流换热过程 中，单位体积内流
体的熵产躞。可以表示为【１’２】：
％ｉｉｉ。＝去（器）２＋；
㈤
式中，ｋ为导热系数（Ｗ／（ｍ２．Ｋ）），Ｔ为温度（Ｋ），
耽为笛卡儿坐标（ｍ），咖为 流体流动过程中的粘性
耗散（ｗ）。式（１）右边第一项代表流体传热引起的
熵产，第二项代表 流体流动引起的熵产。对式（１）在
整个流动换热区域内进行积分，即可得到流体在整
个对流换 热过程中的总熵产ｓｇｅ。：
‰＝∥ｙ…ｅ∥
（２）
式中，ｙ为流动换热区域的体积（ ｍ３）。
采用商业软件ＦＬＵＥＮＴ６．０数值求解流体对流
换热过程的控制方程，获得流体的 速度场和温度场．
再根据式（１）和（２），获得整个换热区域内系统的熵
产．其中压力与速度 的解耦采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法，
控制方程中的对流项和扩散项的离散均采用ＱＵＩＣＫ
格式．
考察如图１所示的二维对流换热问题，矩形方
腔在ｚ、Ｙ方向的长度都１０ｍｍ，风口几何尺寸 为
ｍ＝ｗ２＝％＝１
ｍｍ．空气从左侧中部风口水平
进入矩形腔，分别从右侧上部、下 部风口排出，进口
空气速度为ｏ．３
ｍ／ｓ，温度为３００
Ｋ．计算区域的
左 、右以及下表面绝热，上部为加热面，加热面温度
为３１０
Ｋ，外界环境温度为３００
Ｋ．
表１给出了图１所示三种通风方式下的系统的
熵产、有用能损失以及系统的整体对流换热量 ．可
以看出Ｂ型通风方式下，系统的熵产最小，有用能
损失最小，但对流换热量也最小，对流换 热能力最
弱；Ｃ型通风方式下，系统的熵产最大，有用能损失
最大，但对流换热量也最大，对流 换热能力最强．因
万　方数据
此对于等壁温条件下的对流换热问题，熵产越小意
味着系 统的有用能损失越小，但系统的整体换热能
力也越弱。此时，如果利用熵产最小原理对对流换
热 过程进行优化，不但不能起到强化传热的效果，
相反弱化了传热过程。
（ａ）Ｔｙｐｅ
Ａ
（ｂ）耐ｐｅ
Ｂ
（ｃ）Ｔｙｐｅ
Ｃ
图１计算模型示意图
Ｆ ｉｇ．１
Ｓｋｅｔｃｈｏｆ
ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ
ｍｏｄｅｌ
表１不同通风 方式下的系统熵产、有用能损失与
换热量（等壁温）
Ｔａｂｌｅ
１
Ｅｎｔｒｏ ｐｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｅｘｅｒｇｙ
ｌｏｓｓａｎｄ
ｈｅａｔ
ｔｒａｎｓｆｅｒ
ｒａｔｅｆｏｒ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ
ｔｙｐｅｓｗｉｔｈ
ｃｏｎｓｔａｎｔ
ｂｏｕｎｄａｒｙ
ｗａｌｌ
ｔｅｍｐｅｒａｔ ｕｒｅ
２．２等热流边界条件
对于图１所示的对流换热问题，将上表面的等
温边界改为 等热流边界条件，单位面积上的热流量
为１
Ｗ／ｍ２．表２给三种不同的排风方式下，整个换< br>热系统的熵产、有用能损失以及加热面平均温度。
可以看出熵产、有用能损失的变化规律一致，Ａ 型
通风方式下，系统的熵产最小，有用能损失也最小；
Ｂ型通风方式下，系统的熵产最大，有用 能损失也
最大。然而，熵产与加热面平均温度无对应关系，Ａ
型通风方式下熵产最小，但加热面 平均温度并不是
最低；ｃ型通风方式下加热面平均温度最低，但熵
产并不是最小．由于加热面平 均温度越低意味着对
流换热系数越高，对流换热能力越强，因此对于等
热流边界条件下的对流换 热问题，熵产最小不能够
反映对流换热能力的强弱．

２期
陈群等ｔ对流 换热过程的热力学优化与传热优化
通过上述分析，可以得出在对流换热过程中，
熵产与系统的有 用能损失存在对应关系，熵产最小
意味着系统有用能损失最小．然而，熵产最小与系
统的对流换 热能力之间不存在对应关系。上述算例
中，在等温边界条件下，熵产最小意味了换热能力
最弱， 在等热流边界条件下，熵产最小既不能反映
系统的整体对流换热能力最强，也不能反映系统的
对 流换热能力最弱。因此，对于需要降低有用能损
失的换热问题应以熵产最小为优化目标，而对于将
提高系统的对流换热能力作为优化目标的对流换热
问题，不应用熵产最小原理进行优化．
表２ 不同排风方式下的系统整体熵产、有用能损失
与加热面平均温度（等热流）
Ｔａｂｌｅ
２
Ｅｎｔｒｏｐｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｅｘｅｒｇｙ
ｌｏｓｓａｎｄ
ａｖｅｒａｇ ｅ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｏｆ
ｈｅａｔｉｎｇ
ｓｕｒｆａｃｅｆｏｒ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ
ｔｙｐｅｓ
ｗｉｔｈ
ｃｏｎｓｔａｎｔ
ｂｏｕｎｄａｒｙ
ｈｅａｔｆｌｕｘ
排风方式熵产（Ｊｋｇ＿１Ｋ一１）有用能损失（ ｗ）平均温度（Ｋ）
３炽耗散极值原理
孟继安【９】根据煅耗散极值原理，利用变分原理
推导出了层流换热场协同方程：
ｐＵ・ＶＵ＝—ＶＰ＋ｐＶ２ｕ＋（（强ＡＶＴ＋ｐｕ・Ｖｕ）（３）
式中，Ｃ聋为常数，其大小与输入的粘性耗散有关．
Ａ是与空间位置有关的变量，其控制方程为 ：
一ｐｃ口矿．ＶＡ＝久Ｖ２Ａ—ＡＶ２Ｔ
（４）
在给点边界条件下将方程（３）、（ ４）与连续方程
以及能量守恒方程联立求解，可以获得一定粘性耗
散条件下，炽耗散取极值时所 对应的速度分布．
３．１等温边界条件
对于图１（ａ）所示的对流换热问题，图２给出了
进风速度为ｏ．３
ｍ／ｓ时，计算区域内的原始速度场和
温度场．空气从进风口进入矩形腔后 ，直接冲刷到
右侧面，到达右侧面后分成两股，沿着右侧面分别
向上、向下运动至排风口．加热 面附近空气流速较
低，温度梯度较小．在该工况下，对流换热量为１．０８
ｗ，空气流动的粘性 耗散为４．９６ｘ
１０～Ｗ，有用能
损失为２．７４×１０～Ｗ．
图３给出了满足场协 同方程的速度场与温度场
的计算结果，其中与粘性耗散大小有关的常数Ｃ０的
值为－３×１０～ ．空气从进风口进入矩形腔后，向
万　方数据
顶面（加热面）偏转，到达顶面后，紧贴加热面向 右
运动。当空气接近排风口时分成两股，分别从上、下
两个排风口排出．加热面附近空气流速较 高，温度
梯度较大。在该工况下，对流换热量为１．８１Ｗ，空
气流动的粘性耗散为４．９６ｘ
１０～Ｗ，有用能损失为
４．０４ｘ１０一Ｗ．与原始结果对比可以看出，优化后
的流 场在粘性耗散保持不变的前提下，换热量增加
６８％，换热能力增强．但是在该工况下，换热能力的提高也导致了有用能损失的增大。
（ａ）原始速度场（ｂ）原始温度场
（ａ）Ｏｒｉｇｉｎ ａｌ
ｖｅｌｏｃｉｔｙ
ｆｉｅｌｄ
（ｂ）Ｏｒｉｇｉｎａｌ
ｔｅｍｐｅｒａｔ ｕｒｅ
ｆｉｅｌｄ
图２等壁温原始速度场和原始温度场
Ｆｉｇ．２
Ｏｒｉｇｉ ｎａｌ
ｖｅｌｏｃｉｔｙ
ａｎｄ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｆｉｅｌｄｓｗｉｔ ｈ
ｃｏｎｓｔａｎｔ
ｂｏｕｎｄａｒｙ
ｗａｌｌ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（ａ）优化速度场（ｂ）优化温度场
（ａ）Ｏｐｔｉｍａｌ
ｖｅｌｏｃｉｔｙ
ｆｉ ｅｌｄ（ｂ）Ｏｐｔｉｍａｌ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｆｉｅｌｄ
图３等壁温优化速度 场和优化温度场
Ｆｉｇ．３Ｏｐｔｉｍａｌ
ｖｅｌｏｃｉｔｙ
ａｎｄ
ｔｅｍｐ ｅｒａｔｕｒｅ
ｆｉｅｌｄｓ
ｗｉｔｈ
ｃｏｎｓｔａｎｔ
ｂｏｕｎｄａｒｙ< br>ｗａｌｌ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
３．２等热流边界条件
图４给出了等热流条件 下，热流密度为２００
Ｗ／ｍ２，进风速度为ｏ．３ｍ／ｓ时，计算区域内的原
始速度场和温度 场．由于空气运动的几何边界，运
动边界条件没有改变，同时不考虑热对流动产生的
影响，因此 在该工况下空气在矩形腔内形成的流场
与等温边界条件下形成的流场一致。加热面附近空
气流速 较低，空气温度较高，温度梯度较大．在该工
况下，加热面的平均温度为３２４．１４Ｋ，空气流动的< br>粘性耗散为４．９６ｘ１０一Ｗ，有用能损失为ｏ．１２６Ｗ．

工程热物理学报< br>２９卷
（ａ）原始速度场（ｂ）原始温度场
（ａ）Ｏｒｉｇｉｎａｌ
ｖｅｌｏｃ ｉｔｙ
ｆｉｅｌｄ
（ｂ）Ｏｒｉｇｉｎａｌ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｆｉｅｌ ｄ
图４等热流原始速度场和原始温度场
Ｆｉｇ．４
Ｏｒｉｇｉｎａｌ
ｖｅｌｏ ｃｉｔｙ
ａｎｄ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｆｉｅｌｄｓ
ｗｉｔｈ
ｃｏ ｎｓｔａｎｔ
ｂｏｕｎｄａｒｙ
ｈｅａｔｆｌｕｘ
图５给出了满足场协同方程的速度场 与温度场
的计算结果，其中与粘性耗散有关大小有关的常数
Ｇ０的值为２．１５ｘ１０～．在该 工况下，空气在矩形腔
内形成的流场与等温工况下的优化结果类似，空气
从进风口进入矩形腔后 ，向着加热面偏转，然后紧贴
加热面向右运动。当空气接近排风口时分别从上、下
两个排风口排 出。加热面附近空气流速较高，空气温
度较低，温度梯度较小．在该工况下，加热面的平均
温度 为３１０．００Ｋ，空气流动的粘性耗散为４．９６ｘ
ｉ０－５
ｗ，有用能损失为ｏ．０４３Ｗ 。与原始结果对比可以看
出，优化后的流场在粘性耗散保持不变的前提下，
加热面与进口空气温 度的平均温差降低了５９％，换
热能力增强。在该工况下，换热能力的提高，系统的
有用能损失 减小。
（ａ）优化速度场（ｂ）优化温度场
（ａ）Ｏｐｔｉｍａｌ
ｖｅｌｏｃｉｔｙ< br>ｆｉｅｌｄ（ｂ）Ｏｐｔｉｍａｌ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｆｉｅｌｄ
图５等热 流优化速度场和优化温度场
Ｆｉｇ．５Ｏｐｔｉｍａｌ
ｖｅｌｏｃｉｔｙ
ａｎｄ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｆｉｅｌｄｓ
ｗｉｔｈ
ｃｏｎｓｔａｎｔ
ｂｏｕｎ ｄａｒｙ
ｈｅａｔ
ｆｌｕｘ
针对以上两种对流换热问题，求解场协同方程
获得 的速度场具有一定的相似性，空气进入矩形腔
后都向着换热面偏转，达到提高换热面附近空气流
万　方数据
速，增强换热能力的效果。因此，以煅耗散取极值
为优化目标，可以得到最优的速度 场，使得系统的
对流换热能力最强。这就说明了对于需要将增强换
热能力作为优化目标的对流换 热过程，应采用煅耗
散极值原理进行分析。
４结论
在对流换热过程中，熵产与系统的有 用能损失
存在对应关系，熵产最小意味着换热过程中的有用
能损失最小，但熵产最小并不能代表 系统对流换热
能力最强。以煅耗散为目标对对流换热过程进行优
化，可以在一定粘性耗散条件下 ，得到最优速度场，
使得系统的对流换热能力最强，但并不意味着系统
的有用能损失最小．因此 ，对于需要降低有用能损
失的换热问题应以熵产最小为优化目标；对于需要
提高换热能力的换热 问题应以煅耗散取极值为优化
目标。
在热功转换过程中，如果参与热力循环的部分
工质 与其他工质换热后直接释放到环境中去，那么
此时也应以煅耗散取极值为优化目标，而不应以熵
产最小为优化目标。
参考文献
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ａ
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对流换热过程的热力学优化与传热优化
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
被引用 次数：
陈群， 吴晶， 任建勋， CHEN Qun， WU Jing， REN Jian- Xun
清华大学工程力学系,北京,100084
工程热物理学报
JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICS
2008,29(2)
3次

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引证文献(3条)
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