多尺度体点传热传质问题的多目标构形优化

工程领域中普遍存在实现体系和源/汇之间热量和质量高效传输的体点传输问题，其传输特性及结构优化是一类典型的多学科交叉融合的科学问题。本课题拟基于自然组织构形理论，结合熵产生最小化和(火积)耗散极值原理，以导热、流体流动与对流换热、传质与热量质量复合传递三类典型体点传输问题为研究对象，以多尺度、多目标、多学科优化为主要特征，综合运用数学分析、数值计算和实验研究的方法开展研究。主要内容包括：自相似构形优化方法，基于熵产生最小化和(火积)耗散极值原理的构形优化，最大温差与(火积)耗散率的控制策略，考虑热应力的多学科多目标构形优化，微纳米尺度的构形优化，回路和非对称性对传输性能的影响，传热、传质耦合的构形优化等。旨在揭示多尺度体点传热传质问题中的基本物理规律，明晰其传输性能与几何参数的基本关系，实现多目标构形优化。有助于拓展(火积)耗散极值原理的应用范围，发展构形理论，为各类工程应用提供科学支撑。

本项目在全面深入地了解火积理论和构形理论等各种传热优化理论的基础上，提出了广义构形优化思想和绝热过程火积耗散极值原理，基于广义构形优化思想和多种极值原理实现了各种传递过程和系统的多学科、多目标、多尺度构形优化。主要内容包括：构形理论和火积理论的研究综述；常规尺度下的导热构形优化及实验研究；微、纳米尺度下的导热构形优化；绝热过程构形优化；流体流动网络构形优化；肋片构形优化；冷却通道构形优化；脉管网络构形优化；换热器构形优化；多孔介质传质构形优化；传热传质过程构形优化；广义传递过程构形优化；其他过程构形优化。得到了各种传递过程和系统在不同目标和条件下的最优构形，为其结构设计和性能优化提供了科学依据和理论指导。 . 项目取得的重要研究成果如下：提出了广义构形优化思想，开辟了各种传递过程优化设计的新方向。建立了广义流动过程模型并进行了构形优化，为各种传递过程和系统的构形优化设计提供了统一指导。提出了绝热过程火积耗散极值原理，为各种绝热过程和系统的优化提供了新准则。建立了15种构形优化问题的新模型，拓展了构形优化的研究对象。将热量火积理论和质量积理论拓展应用到27种新对象，拓展了其应用范围。提出了3种新的复合函数目标，实现了多目标构形优化。. 项目目前已发表(含已录用)学术论文76 篇，包括《中国科学》和《科学通报》中、英文版13 篇，国际学术刊物51 篇，55 篇被SCI摘录，60 篇被EI摘录，4 篇为ESI 高被引论文；457 篇次被国内、外学者引用；将在科学出版社出版专著1 部；获湖北省自然科学三等奖1 项。已培养博士2 名、硕士2 名，在读博士2 名、硕士1 名，1 篇学位论文被评为全军和湖北省优秀博士学位论文。