2012年国工程热物理学会年会传热与传质分会议论文123074.辐射对流耦合换热过程性能优化准则分析.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：123074 辐射对流耦合换热过程性能优化准则分析( 吴 晶 （南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016） (Tel: 025 Email:jingwunuaa@) 摘 要 火积耗散火积火积耗散火积火积耗散Bejan[1, 2]导出了流动和传热过程中的熵产表达式，将最小熵产原理引入到了传热过程中，认为熵产最小时系统的性能最优[3, 4]。随后，研究人员采用最小熵产原理开展了大量的传热优化研究工作[5-7]，并且这类分析方法也通常被称为热力学优化方法。然而，随着研究的深入，最小熵产原理的适用性受到质疑[8, 9]，究其原因可以发现，熵是反映热功转换过程中能量损失的物理量，熵产最小对应着做功能力损失最小，而传热过程中，往往更加关心热量的传递速率。 为了分析和优化不涉及热功转换的传热过程，Guo等[]引入了一个描述物体向其它物体传递热量能力的物理量——火积，利用火积耗散来衡量传热过程的不可逆，提出了用于优化的火积耗散火积耗散原理，[13]、含化学反应过程的多组分黏性流动体系[14]等的分析。在辐射换热方面，Wu和Liang[15]将火积火积火积火积火积火积火积火积火积火积火积火积火积火积 1 火积耗散极值原理在辐射对流耦合传热过程的应用 1.1辐射对流耦合换热模型 图1为由两个圆柱体组成的辐射换热系统示意图。两个圆柱体的直径分别为D和d，假设圆柱体在垂直于纸面方向上的长度Lmax(D, d)，因而从系统两端开口处逸出的辐射能忽略不计，可认为它是二维的封闭系统。大圆柱体的内侧面B维持在均匀温度TB，通过辐射对小圆柱体的外侧面A进行加热，与此同时，表面A受到温度为Tf的流体冷却，对流换热系数为h。为简化问题，假设流体的温度恒定为，对流换热系数也为常数εA和εB。此辐射对流耦合换热问题要求在高发射率涂层数量一定的情况下（εA+εB=const），在尽量减小该系统的辐射换热温差的情况下获得最大的辐射换热热流。 图1 两个漫灰表面组成的封闭系统示意图 1.2能量分析及火积分析 根据能量守恒原理，在稳态时，由表面B以辐射方式传给表面A的辐射换热热流等于流体以对流方式从表面A带走的对流换热热流，它们可分别表示为： , （1） , （2） 其中，是黑体辐射常数。根据，在不同的表面发射率分配下，表面A的平衡温度TA可以从式（1）和（2）中通过迭代等数值方法求出。 以下求图1所示辐射对流耦合换热过程的火积 图2 热量传递过程示意图 火积火积，流入表面A的火积，则辐射换热过程的火积. （3） 同理，对流换热过程的火积. （4） 因此该传热过程的总火积耗散为火积和对流中的火积之. （5） 1.3优化结果及讨论 假设L=1m，D=0.1m，d=0.05m，TB=800K，Tf=300K，h=20W/(m2﹒K)，εA+εB=1。依据式（1）、（2）和（5），通过数值求解可以得到该辐射对流换热过程的总火积耗散εA的变化，它们的变化趋势如图3所示。与此同时，可以得到A、B两表面的辐射换热热流和两表面温差TB-TA随εA的变化趋势，如图4所示。 从图3可以看到，在不同的表面发射率分布下，该辐射对流耦合换热过程的火积耗散εA=0.585时，换热过程火积耗散εA=0.585时，该辐射温差TB-TA的极小值对应着A、B两表面的辐射换热热流的极大值。这说明，恰当地分配A、B两表面的发射率，使得该辐射对流耦合换热过程的火积耗散火积耗散火积耗散εA的变化规律εA的变化规律火积耗散火积耗散, （6） 将式（3）代入（6），可得 . （7） 同理可得对流换热热阻[12]为 . （8） 因此，该辐射对流耦合换热过程的总热阻为： （9） 对于图1所示的换热过程，TB和Tf为定值，由图3和图4可知，当εA=0.585时，辐射热流最大，根据式（9），此时的换热总热阻最小。而由前面的分析可知，最大时辐射换热过程最优（即用最小的换热温差得到最大的换