不可逆卡諾循環(huán)性能穩(wěn)定性分析和微納米尺度下氣體循環(huán)性能特征.pdf

1、近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及實踐的需要，一門新的學(xué)科分支“有限時間熱力學(xué)”蓬勃發(fā)展，它是在各種不可逆過程下(熱阻、熱漏、內(nèi)部耗散、磨擦)等對循環(huán)系統(tǒng)的效率和功率以及其它性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，在有限時間和有限尺寸約束條件下，以減小系統(tǒng)的不可逆性為主要目標(biāo)。有限時間熱力學(xué)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化工、熱經(jīng)濟(jì)等方面具有廣泛的應(yīng)用，對開發(fā)新能源、改善生態(tài)環(huán)境、保護(hù)自然資源等都有重要的理論意義。 大部分的有限時間熱力學(xué)研究都集中系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)能量

2、值。但是，實際的熱力系統(tǒng)總是不很穩(wěn)定的，在循環(huán)運(yùn)行過程中存在內(nèi)在循環(huán)的可變性，如燃料的不完全燃燒，摩擦等其它因素?；谶@種考慮，對熱力循環(huán)系統(tǒng)在最優(yōu)穩(wěn)定工作點時的穩(wěn)定性分析是有必要的。文中第二到第四章中首次研究了包含熱阻、熱漏、內(nèi)部耗散等各種不可逆性的一般不可逆Carnot循環(huán)的局域穩(wěn)定性能。分析了傳熱系數(shù)，熱漏系數(shù)和內(nèi)不可逆度對循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。得到了一些比前人更細(xì)致、更一般的結(jié)果。對實際熱力循環(huán)的設(shè)計提出了一個新的理論指導(dǎo)。

3、 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，微納米尺度熱力學(xué)系統(tǒng)的熱力學(xué)行為也逐漸受到重視。許多學(xué)者研究了被限制在一個微納米尺度范圍內(nèi)的理想氣體和量子氣體的熱力學(xué)性能。在微納米尺度范圍內(nèi)，氣體的性質(zhì)與宏觀范圍內(nèi)氣體的性質(zhì)有很大的不同。例如，利用經(jīng)典的玻爾茲曼統(tǒng)計理論，對于在微納米尺度系統(tǒng)內(nèi)的理想氣體，A．Sisman發(fā)現(xiàn)其熱力學(xué)量表述是由一個固有項加上一個修正項。因此，系統(tǒng)總的熱力學(xué)量變成非廣延性的，并且強(qiáng)烈的依賴于容器的尺度。微納米尺度系統(tǒng)內(nèi)理想氣體的

4、這種熱尺度效應(yīng)使得一類新的氣體循環(huán)熱轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計成為了可能。文中第五章創(chuàng)新性的利用熱尺度效應(yīng)設(shè)計了一個氣體熱機(jī)循環(huán)，并利用有限時間熱力學(xué)理論對熱機(jī)性能進(jìn)行了優(yōu)化。這個熱機(jī)模型對實際的微納米熱轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。而且，這個理論模型可以用于測量熱尺度效應(yīng)的大小。利用熱尺度效應(yīng)的可逆性，第六章中設(shè)計了一個制冷機(jī)模型，通過提供輸入功率，系統(tǒng)將產(chǎn)生一定的溫度差。本論文研究的是不可逆熱力學(xué)循環(huán)性能的局域穩(wěn)定性分析和微納米尺度下氣體循壞的

5、性能特征。通過理論分析和數(shù)值計算，做了如下工作： 第二章分析了牛頓傳熱規(guī)律下不可逆卡諾熱機(jī)的局域穩(wěn)定性。利用線性穩(wěn)定性方法，基于有限時間熱力學(xué)理論和牛頓傳熱規(guī)律下一般不可逆卡諾熱機(jī)的優(yōu)化參數(shù)，研究了系統(tǒng)工作在最大功率和最大效率穩(wěn)態(tài)點時的局域穩(wěn)定性能，推導(dǎo)了表征系統(tǒng)穩(wěn)定性的弛豫時間的一般表達(dá)式，得出了對于實際熱機(jī)的設(shè)計必須同時考慮系統(tǒng)的優(yōu)化性能和局域穩(wěn)定性能的結(jié)論。利用作圖分析了各種內(nèi)外不可逆性如熱阻、熱漏、內(nèi)部耗散等對弛豫時間的

6、影響。特別是在最大功率下，熱漏對系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影響。這些結(jié)論對熱機(jī)的設(shè)計提出了更高的要求。 第三章分析了線性唯象傳熱規(guī)律下不可逆熱機(jī)的局域穩(wěn)定性。利用線性穩(wěn)定性方法，基于有限時間熱力學(xué)理論和線性唯象傳熱規(guī)律下一般不可逆熱機(jī)在最大功率和最大效率穩(wěn)態(tài)點時的優(yōu)化參數(shù)，研究了當(dāng)系統(tǒng)高低溫?zé)嵩礈囟劝l(fā)生改變從而使得熱機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)偏離原來的穩(wěn)態(tài)點時的局域穩(wěn)定性能，推導(dǎo)了表征系統(tǒng)穩(wěn)定性的弛豫時間的一般表達(dá)式。利用作圖分析了各種內(nèi)外不可逆性

7、如熱阻、熱漏、內(nèi)部耗散等等對弛豫時間的影響。而且，最大功率穩(wěn)態(tài)點比最大效率穩(wěn)態(tài)點的局域穩(wěn)定性更高。 第四章分析了一般傳熱規(guī)律下不可逆制冷機(jī)的局域穩(wěn)定性。利用線性穩(wěn)定性方法，基于有限時間熱力學(xué)理論和一般傳熱規(guī)律下制冷機(jī)工作在最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)時的優(yōu)化參數(shù)，研究了當(dāng)系統(tǒng)高低溫?zé)嵩礈囟劝l(fā)生改變從而使得熱機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)偏離原來的穩(wěn)態(tài)點時的局域穩(wěn)定性能，推導(dǎo)了表征系統(tǒng)穩(wěn)定性的弛豫時間的一般表達(dá)式。利用作圖分析了熱源溫度比和傳熱熱阻對弛豫時間的

8、影響。比較了系統(tǒng)工質(zhì)溫度衰減的快慢程度。 第五章研究了微納米尺度下氣體熱機(jī)的循環(huán)性能。對微納米力學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)氣體原子的平均熱波長可能與系統(tǒng)的尺度是可以比擬的時候，系統(tǒng)內(nèi)類卡西米爾效應(yīng)將會變得非常重要。利用微納米尺度系統(tǒng)內(nèi)理想氣體的類卡西米爾效應(yīng)，建立了一種新的微納米尺度下氣體熱轉(zhuǎn)換裝置，它由兩個等溫過程和兩個等壓過程組成。利用熱力學(xué)第一和等二定律推導(dǎo)了微納米尺度下氣體熱機(jī)系統(tǒng)功率和效率的一般表達(dá)式，并借助數(shù)值計算，分析了熱機(jī)系統(tǒng)的

9、功率和效率與外參量之間的函數(shù)關(guān)系。這個循環(huán)模型為微納米型熱轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計提供了一個理論指導(dǎo)。 第六章研究了微納米尺度下氣體制冷機(jī)的循環(huán)性能。理論上，對微納米力學(xué)系統(tǒng)，由于氣體原子的平均熱波長與系統(tǒng)的尺度可以比擬，類卡西米爾效應(yīng)將變得特別顯著。而且，這個效應(yīng)是可逆的。利用微納米尺度系統(tǒng)內(nèi)理想氣體的類卡西米爾效應(yīng)的可逆性，建立了一個用來產(chǎn)生溫度差的微納米尺度下氣體制冷機(jī)模型。同樣的，它由兩個等溫過程和兩個等壓過程組成。利用熱力學(xué)第一