文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123135
最小热阻原理在典型导热优化中的应用
杜文静基金项目:国家自然科学基金项目(51106090)
,闻讯,刘宁,程林*
(山东大学热科学与工程研究中心,山东济南,250061)
(Tel:0531-88399598,Email:******@sdu.)
摘要:运用最小热阻原理对矩形平板的导热优化问题进行了数值分析和模拟实验研究。运用C++编程,对矩形散热平板进行导热仿生数值模拟计算,得到了限定高导热材料数量前提下的优化布置。分析表明边界条件以及内热源的位置等是影响高导热材料分布的主要因素。运用MULTISIM电路仿真软件,对矩形散热平板进行了电热模拟仿真实验。通过建立电阻网络比拟热阻的方式,得到低阻值电阻(即高导热材料)的分布。将仿真实验与数值计算结果进行对比,发现二者的一致性,即高导热材料和低阻值电阻在各自模型中的分布是相同的,这证明了最小热阻原理在导热优化问题中的正确性和适用性。
关键词:导热优化;电热模拟;最小热阻原理;火积耗散
0 前言
由于强化传热能够提高热设备和热系统中的能源利用效率,或者减小热设备的重量和体积,所以被广泛应用于各个领域。工程中一个常见的强化导热过程的问题是如何将特定体积空间内的发热量从其表面的某些指定位置高效地散失出去,使得导热优化。前人做过很多具体的相关研究工作。程新广等[1]通过重新布置场内的导热系数分布来强化热传导问题。其针对边界上传热量一定的任意几何区域的稳态导热,在全场的导热系数积分为定值的条件下,以最小热耗散为目标,利用变分方法[2]在导热优化过程中获得了导热系数分布的结果。李志信等[3]基于生命演化原理的仿生优化方法[4],尝试对导热区域中插入的高导热材料的布置进行优化,成功构造出不同条件下的高效导热通道。杜文静等人[5]以太空站中阿尔法磁谱仪(AMS)的配电系统为研究对象,阐述了利用优化热管分布来解决系统局部温度过高的散热及热控制问题。并通过数值模拟,采用体点散热问题的仿生优化方法,获得了具有高导热性的热管在母板中的人工构造,构建了高效的热控制系统。程林[6]等在火积耗散理论基础上建立了处理体点散热优化问题的新的算法,消除了原有算法导致温度场在一些点处出现奇异性的缺陷,并把此算法推广于具有非均匀热源的体点散热问题中。同时发现对于非均匀热源的体点散热问题,基于火积耗散理论所得到的体点散热的解远远优于基于熵产的优化结果。朱宏晔等[7]建立了具有32×l 6节点电阻的电热模拟装置,每个节点的4个电阻可以通过并联低阻值电阻模拟在基材中填充高导热材料。由此证明在一般情况下导热过程的优化不宜采用最小熵产原理。对于典型体点散热问题的优化,Bejan[8-9] 早已提出了树状构形理论,指出可以通过优化布置在基材中添加的一定数量的高导热材料来实现强化换热的目的。为了进一步研究传热优化中的规律,过增元等[10]从导热过程与导电过程的比拟出发,引入了热学新的物理量火积,即热势能的概念,用以表达物体传递热量的总能力
。由最小热阻原理(即火积耗散极值原理)可知,对于当给定温度边界,火积耗散最大时,导热过程最优,此时热阻最小、热流最大[11-13]。
本文首先采用数值计算方法对典型二维矩形区域进行导热优化,然后运用MULTISIM电路仿真软件进行该散