商品详情
书名：不可逆循环的广义热力学动态优化
定价：128.0
ISBN：9787030552969
作者：陈林根
版次：1
出版时间：2017-11
内容提要：
基于广义热力学优化理论，本书对工程界和人类社会中广泛存在的不可逆功、热能、电能、化学能和资本等广义能量转换循环与系统开展了动态优化研究，获得了不同优化目标下的*优构型。本书汇集著者多年研究成果，第1章介绍有限时间热力学、熵产生*小化、广义热力学优化、理论等各种热学优化理论的产生，并回顾与本书相关的动态优化问题的研究现状。第2~8章分别对恒温热源内可逆热机循环、变温热源热机循环、具有非均匀工质的热机性能界限、多级热力循环系统、化学机循环、多级等温化学循环系统、多级非等温不可逆化学机系统的动态优化(*优构型)问题进行研究，提出广义热力学动态优化理论，给出解决各种不可逆广义能量转换循环与系统动态优化问题的统一方法以及普适研究结果。本书在研究方法上以交叉、移植和类比为主， *大特点在于深化物理学理论研究的同时，注重多学科交叉融合研究并紧贴工程实际，在研究过程中追求物理模型的统一性、优化方法的通用性和优化结果的普适性，*终实现基于广义热力学优化理论的不可逆循环动态优化研究成果集成。
目录：
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 理论热力循环动态优化现状 2
1.2.1 恒温热源理论热机循环*优构型 2
1.2.2 变温热源理论热机循环*优构型 3
1.2.3 串接、联合和多热源理论热机循环*优构型 4
1.2.4 具有非均匀工质的理论热机性能界限 5
1.2.5 基于HJB理论的多级热力循环系统动态优化 5
1.3 理论化学循环动态优化现状 7
1.3.1 等温化学循环*优构型 7
1.3.2 非等温化学机循环*优构型 8
1.3.3 基于HJB理论的多级等温化学机循环系统动态优化 9
1.3.4 基于HJB理论的多级非等温化学机循环系统动态优化 9
1.4 本书的主要工作及章节安排 10
第2章 恒温热源内可逆热机循环动态优化 12
2.1 引言 12
2.2 广义辐射传热规律下无压比约束下内可逆热机*大输出功率 12
2.2.1 物理模型 12
2.2.2 优化方法 15
2.2.3 特例分析 23
2.3 广义辐射传热规律下给定压比的内可逆热机*大输出功率? 47
2.3.1 物理模型 47
2.3.2 优化方法 48
2.3.3 特例分析 57
2.4 广义辐射传热规律下给定输入能的内可逆热机*大效率 89
2.4.1 物理模型 89
2.4.2 优化方法 89
2.4.3 特例分析 99
2.5 本章小结 124
第3章 变温热源热机循环动态优化 126
3.1 引言 126
3.2 两有限热容热源内可逆热机*大输出功 126
3.2.1 物理模型 126
3.2.2 优化方法 128
3.2.3 特例分析与讨论 130
3.3 存在热漏的有限高温热源不可逆热机*大输出功 134
3.3.1 物理模型 134
3.3.2 优化方法 134
3.3.3 特例分析与讨论 136
3.4 本章小结 138
第4章 具有非均匀工质的热机性能界限 139
4.1 引言 139
4.2 线性唯象传热规律下非均匀工质非回热不可逆热机 *大输出功率 139
4.2.1 物理模型 139
4.2.2 优化方法 142
4.2.3 数值算例与讨论 146
4.3 线性唯象传热规律下非均匀工质非回热 不可逆热机*大效率 149
4.3.1 物理模型 149
4.3.2 优化方法 150
4.3.3 数值算例与讨论 153
4.4 具有非均匀工质的一类理论热机*大功率和效率 155
4.4.1 物理模型 155
4.4.2 优化方法 158
4.4.3 不同反应速率方程和热阻模型下优化结果的比较 163
4.5 本章小结 164
第5章 基于HJB理论的多级热力循环系统动态优化 166
5.1 引言 166
5.2 普适传热规律下多级不可逆热机系统*大输出功率 166
5.2.1 系统建模与特性描述 166
5.2.2 优化方法 170
5.2.3 特例分析 171
5.2.4 数值算例与讨论 179
5.3 普适传热规律下多级不可逆热泵系统耗功率*小优化 197
5.3.1 系统建模与特性描述 197
5.3.2 优化方法 200
5.3.3 特例分析 201
5.3.4 数值算例与讨论 207
5.4 本章小结 211
第6章 化学机循环动态优化 213
6.1 引言 213
6.2 有限高势库等温内可逆化学机*大输出功 214
6.2.1 物理模型 214
6.2.2 优化方法 216
6.2.3 特例分析与讨论 218
6.3 存在质漏的有限高势库等温不可逆化学机*大输出功 224
6.3.1 物理模型 224
6.3.2 优化方法 225
6.3.3 特例分析与讨论 227
6.4 多库等温内可逆化学机*大输出功率 230
6.4.1 物理模型 230
6.4.2 优化方法 231
6.4.3 数值算例与讨论 234
6.5 基于LIT的有限高势库非等温内可逆化学机*大输出功 237
6.5.1 物理模型 237
6.5.2 优化方法 239
6.5.3 特例分析与讨论 241
6.6 本章小结 246
第7章 基于HJB理论的多级等温化学循环系统动态优化 248
7.1 引言 248
7.2 线性传质规律下多级等温不可逆化学机系统*大输出功率优化 249
7.2.1 系统建模与特性描述 249
7.2.2 优化方法 255
7.2.3 数值算例与讨论 260
7.3 扩散传质规律下多级等温不可逆化学机系统*大功率输出优化 271
7.3.1 系统建模与特性描述 271
7.3.2 优化方法 273
7.3.3 数值算例与讨论 275
7.4 线性传质规律下多级等温内可逆化学泵系统耗功率*小优化 278
7.4.1 系统建模与特性描述 278
7.4.2 优化方法 281
7.4.3 数值算例与讨论 282
7.5 本章小结 287
第8章 基于HJB理论的多级非等温不可逆化学机系统动态优化 288
8.1 引言 288
8.2 基于Lewis相似的单级非等温不可逆化学机*大输出功率 288
8.2.1 物理模型 288
8.2.2 优化方法 291
8.2.3 特例分析 294
8.2.4 数值算例与讨论 296
8.3 基于Lewis相似的多级非等温不可逆化学机系统*大输出功率 299
8.3.1 系统建模与特性描述 299
8.3.2 优化方法 301
8.3.3 特例分析 303
8.4 基于LIT的单级非等温不可逆化学机*大输出功率 305
8.4.1 物理模型 305
8.4.2 优化方法 306
8.4.3 特例分析 310
8.4.4 数值算例与讨论 311
8.5 基于LIT的多级非等温不可逆化学机系统*大输出功率 314
8.5.1 系统建模与特性描述 314
8.5.2 优化方法 317
8.5.3 特例分析 317
8.6 本章小结 319
第9章 全书总结 321
参考文献 327
附录A *优化理论概述 346
A.1 引言 346
A.2 静态优化 347
A.2.1 无约束函数极值优化 347
A.2.2 仅含等式约束函数极值优化 348
A.2.3 含不等式约束函数极值优化 349
A.3 动态优化 350
A.3.1 古典变分法 351
A.3.2 极小值原理 356
A.3.3 动态规划 359
A.3.4 平均*优控制理论 365
A.4 附录A小结 367
附录B 主要符号说明 368
Contents
Preface
Chapter 1 Introduction 1
1.1 Introduction 1
1.2 The dynamic-optimization status of theoretical thermodynamic cycles 2
1.2.1 Optimal configurations of theoretical heat engine cycles with constant-temperature heat reservoirs 2
1.2.2 Optimal configurations of theoretical heat engine cycles with variable-temperature heat reservoirs 3
1.2.3 Optimal configurations of sequential, combined and multi- reservoir theoretical heat engine cycles 4
1.2.4 Performance limits for theoretical heat engines with a non-uniform working fluid 5
1.2.5 Dynamic-optimization of multistage thermodynamic cycle systems based on Hamilton-Jacobi-Bellman theory 5
1.3 The dynamic-optimization status of theoretical chemical cycles 7
1.3.1 Optimal configurations of isothermal chemical cycles 7
1.3.2 Optimal configurations of non-isothermal chemical cycles 8
1.3.3 Dynamic-optimization of multistage isothermal chemical cycle systems based on Hamilton-Jacobi-Bellman theory 9
1.3.4 Dynamic-optimization of multistage non-isothermal chemical cycle systems based on Hamilton-Jacobi-Bellman theory 9
1.4 The major work and chapters’ arrangement of this book 10
Chapter 2 Dynamic-Optimization of Endoreversible Heat Engines with Constant- Temperature Heat Reservoirs 12
2.1 Introduction 12
2.2 Maximum power output of endoreversible heat engines with generalized radiative heat transfer law and without constraint of compression ratio 12
2.2.1 Physical model 12
2.2.2 Optimization method 15
2.2.3 Analyses for special cases 23
2.3 Maximum power output of endoreversible heat engines with generalized radiative heat transfer law and fixed compression ratio 47
2.3.1 Physical model 47
2.3.2 Optimization method 48
2.3.3 Analyses for special cases 57
2.4 Maximum efficiency of endoreversible heat engines with generalized radiative heat transfer law and fixed input energy 89
2.4.1 Physical model 89
2.4.2 Optimization method 89
2.4.3 Analyses for special cases 99
2.5 Chapter summary 124
Chapter 3 Dynamic-Optimization of Heat Engine Cycles with Variable-Temperature Heat Reservoirs 126
3.1 Introduction 126
3.2 Maximum work output of endoreversible heat engines with two finite thermal capacity heat reservoirs 126
3.2.1 Physical model 126
3.2.2 Optimization method 128
3.2.3 Analyses for special cases and discussions 130
3.3 Maximum work output of irreversible heat engines with finite high-temperature heat source and bypass heat leakage 134
3.3.1 Physical model 134
3.3.2 Optimization method 134
3.3.3 Analyses for special cases and discussions 136
3.4 Chapter summary 138
Chapter 4 Performance Limits of Heat Engines with a Non- Uniform Working Fluid 139
4.1 Introduction 139
4.2 Maximum power output of irreversible non-regeneration heat engines with the non-uniform working fluid and linear phenomenological heat transfer law 139
4.2.1 Physical model 139
4.2.2 Optimization method 142
4.2.3 Numerical examples and discussions 146
4.3 Maximum efficiency of irreversible non-regeneration heat engines with the non-uniform working fluid and linear phenomenological heat transfer law 149
4.3.1 Physical model 149
4.3.2 Optimization method 150
4.3.3 Numerical examples and discussions 153
4.4 Maximum power and efficiency of a class of theoretical heat engines with the non-uniform working fluid 155
4.4.1 Physical model 155
4.4.2 Optimization method 158
4.4.3 Comparison of optimization results with different reaction rate equations and thermal resistance models 163
4.5 Chapter summary 164
Chapter 5 Dynamic-Optimization of Multistage Thermodynamic Cycle Systems Based on Hamilton-Jacobi-Bellman Theory 166
5.1 Introduction 166
5.2 Maximum power output of multistage irreversible heat engine systems with a generalized heat transfer law 166
5.2.1 System modeling and characteristic description 166
5.2.2 Optimization method 170
5.2.3 Analyses for special cases 171
5.2.4 Numerical examples and discussions 179
5.3 Minimum power consumption of multistage irreversible heat pump systems with the generalized heat transfer law 197
5.3.1 System modeling and characteristic description 197
5.3.2 Optimization method 200
5.3.3 Analyses for special cases 201
5.3.4 Numerical examples and discussions 207
5.4 Chapter summary 211
Chapter 6 Dynamic-Optimization of Chemical Engine Cycles 213
6.1 Introduction 213
6.2 Maximum work output of isothermal endoreversible chemical engines with a finite high-potential mass reservoir 214
6.2.1 Physical model 214
6.2.2 Optimization method 216
6.2.3 Analyses for special cases and discussions 218
6.3 Maximum work output of isothermal irreversible chemical engines with a finite high-potential mass reservoir and mass leakage 224
6.3.1 Physical model 224
6.3.2 Optimization method 225
6.3.3 Analyses for special cases and discussions 227
6.4 Maximum power output of a multi-reservoir isothermal endoreversible chemical engine 230
6.4.1 Physical model 230
6.4.2 Optimization method 231
6.4.3 Numerical examples and discussions 234
6.5 Maximum work output of non-isothermal endoreversible chemical engines with a finite high-potential mass reservoir based on linear irreversible thermodynamics 237
6.5.1 Physical model 237
6.5.2 Optimization method 239
6.5.3 Analyses for special cases and discussions 241
6.6 Chapter summary 246
Chapter 7 Dynamic-Optimization of Multistage Isothermal Chemical Cycle Systems Based on Hamilton-Jacobi- Bellman Theory 248
7.1 Introduction 248
7.2 Maximum power output of a multistage isothermal irreversible chemical engine system with linear mass transfer law 249
7.2.1 System modeling and characteristic description 249
7.2.2 Optimization method 255
7.2.3 Numerical examples and discussions 260
7.3 Maximum power output of a multistage isothermal irreversible chemical engine system with diffusive mass transfer law 271
7.3.1 System modeling and characteristic description 271
7.3.2 Optimization method 273
7.3.3 Numerical examples and discussions 275
7.4 Optimization for minimizing power consumption of a multistage isothermal endoreversible chemical pump system with linear mass transfer law 278
7.4.1 System modeling and characteristic description 278
7.4.2 Optimization method 281
7.4.3 Numerical examples and discussions 282
7.5 Chapter summary 287
Chapter 8 Dynamic-Optimization of Multistage Non-Isothermal Irreversible Chemical Engine Systems Based on Hamilton -Jacobi-Bellman Theory 288
8.1 Introduction 288
8.2 Maximum power output of a single-stage non-isothermal irreversible chemical engine based on Lewis similarity criterion 288
8.2.1 Physical model 288
8.2.2 Optimization method 291
8.2.3 Analyses for special cases 294
8.2.4 Numerical examples and discussions 296
8.3 Maximum power output of a multistage non-isothermal irreversible chemical engine system based on Lewis similarity criterion 299
8.3.1 System modeling and characteristic description 299
8.3.2 Optimization method 301
8.3.3 Analyses for special cases 303
8.4 Maximum power output of a single-stage non-isothermal irreversible chemical engine based on linear irreversible thermodynamics 305
8.4.1 Physical model 305
8.4.2 Optimization method 306
8.4.3 Analyses for special cases 310
8.4.4 Numerical examples and discussions 311
8.5 Maximum power output of a multistage non-isothermal irreversible chemical engine system based on linear irreversible thermodynamics 314
8.5.1 System modeling and characteristic description 314
8.5.2 Optimization method 317
8.5.3 Analyses for special cases 317
8.6 Chapter summary 319
Chapter 9 Book Summary 321
References 327
Appendix A An Overview of Optimization Theory 346
A.1 Introduction 346
A.2 Static optimization 347
A.2.1 Function extremum optimization without constraint 347
A.2.2 Function extremum optimization with equality constraints 348
A.2.3 Function extremum optimization with inequality constraints 349
A.3 Dynamic optimization 350
A.3.1 Classical variational method 351
A.3.2 The minimum principle 356
A.3.3 Dynamic programming 359
A.3.4 Average optimal control theory 365
A.4 Appendix summary 367
Appendix B Nomenclature 368
在线试读：
第1章 绪论
1.1 引言
有限时间热力学(finite time thermodynamics，FTT)是20世纪70年代中期由国际物理学界芝加哥学派的Berry、Andresen、Salamon、Sieniutycz等创立的一个现代热力学分支[1-28]。它着重考虑原先经典平衡态热力学中所忽略的“时间”或“速率”因素，通过将热力学、传热学和流体力学等基础学科相结合，在“有限时间”或“有限面积”约束下，求解各类传热传质过程、热力化学循环与装置在熵产生*小、*大输出功/功率、*大热效率、*大效率、*大利润率等不同性能目标时的静态优化(*优性能)[29-114]与动态优化(*优构型)[115-164]问题。与此同时，在工程学界，美国杜克大学的Bejan则导出了有限速率下传热与流动过程熵产生的统一表达式[165, 166]，并提出以“熵产生*小”作为统一的目标优化各类存在有限温差传热和有限压降流动不可逆性的过程与装置性能[167]，由此创立了“熵产生*小化(entropy generation minimization，EGM)”理论[166-189]。1998~1999年，本书著者等[69, 190, 191]提出把对传热过程和热机的有限时间热力学分析方法与思路拓广到自然界和工程界中各种存在广义势差和广义位移的过程、装置和系统，广泛采用“内可逆模型(endoreversible model)”[192]以突出分析主要不可逆性，建立起设计的优化理论，即“广义热力学优化(generalized thermodynamic optimization，GTO)”理论。
然而，“熵产生*小”并非总与人们所追求的装置性能目标是完全等价的，例如，在热机优化中，“熵产生*小”和“*大输出功率”两种目标并非总是一致的，与研究对象类型、系统边界划分等因素有关，具体讨论见文献[193]~[202]；在换热器优化中，“熵产生减少”与“有效度增加”也并非总是正相关，对于平衡流逆流式换热器的性能分析结果表明，当有效度在的区间内单调增加时，熵产生也单调增加[203]，这种现象称为“熵产悖论”[166, 168, 204-207]。2003年，清华大学过增元院士等[208]指出熵是表征热功转换过程的物理量，而换热器设计中人们更关心热量传递过程的速率或效率，定义了一个表征物体热量传递能力的新物理量——“热量传递势容”。2006~2007年，过增元等[209, 210]将此物理量更名为“”，并建立了用于传热过程优化的“耗散极值原理”和“*小当量热阻原理”，由此创立了“理论(entransy theory)”[211-223]。本书著者开辟了将有限时间热力学和理论相结合进行研究的新方向，研究了换热器传热[224-228]、液-固相变传热[229]、节流[230]、传质[231-233]、结晶[234]等传热传质过程的动态优化问题。程雪涛和梁新刚[235, 236]进一步提出了“损失”的概念，将理论拓展用于热力循环性能优化[237-244]。
有限时间热力学、熵产生*小化、广义热力学优化理论和理论均是近40年来产生与发展起来的现代热学优化理论，促进了热力学、传热学和流体力学等各学科分支及其交叉研究的发展。综合应用热力学、传热传质学、流体力学以及其他传输科学的基础理论，采用交叉、移植、类比的研究思路，将有限时间热力学与熵产生*小化、理论相结合，实现各种形式能量传递过程和转换循环与系统的广义热力学优化，符合多学科交叉融合研究的发展趋势，是一个具有重要理论价值和广阔应用前景的研究方向。
有关有限时间热力学、熵产生*小化、广义热力学优化理论等热学优化理论的产生、发展、物理内涵等相关内容在本书著者2017年出版的《不可逆过程的广义热力学动态优化》[245]一书中已进行较为详细的阐述，故在本书中不再赘述。与文献[245]重点研究不可逆过程的优化不同，本书将基于热力学、传热传质学、流体力学、化学反应动力学以及经济学等各学科中有限势差能量转换循环与系统间的相似性，采用有限时间热力学研究思路和*优控制理论优化方法全面系统地对不可逆循环和系统进行动态优化，获得各种循环在不同优化目标下的*优构型；在此基础上，对已有研究对象和研究结果进行总结归纳，针对其中几类典型的研究对象，抽出共性，突出本质，建立其相应的广义热力学抽象物理模型，寻求统一的优化方法，获得普适的*优构型优化结果和研究结论，实现基于广义热力学优化理论的不可逆循环研究成果集成。
1.2 理论热力循环动态优化现状
1.2.1 恒温热源理论热机循环*优构型
1.2.1.1 牛顿传热规律下相关研究
Cutowicz-Krusin等[246]证明恒温热源下所有可接受的循环中内可逆(endoreversible)卡诺循环在大压比时产生的功率*大，即此时的*优构型为Curzon-Ahlborn循环[247]。Rubin[192, 248]研究了牛顿传热规律[]时不同约束下内可逆热机的*优构型，得出给定循环周期时*大功率和给定输入能时*大效率的*优构型分别为6分支循环和8分支循环[192]，并把这个结果扩展到给定压比的一类热机，得出*大输出功率时的*优构型为8分支循环[248]。Salamon等[195]以*小熵产生为目标优化了各种热机循环的*优构型，结果表明对应于各种热机*小熵产生时的各循环中非绝热分支熵产率为常数。Augulo-Brown等[249]考虑以功率和熵产率折中的生态学函数[250-252]*大为目标研究了牛顿传热规律下恒温热源往复式热机循环的*优构型。
1.2.1.2 传热规律的影响
然而实际传热过程并不总是服从牛顿传热规律，传热规律对热机循环性能有显著影响[253-268]。de Vos[269]研究了广义辐射传热规律下内可逆卡诺热机*大功率输出时的效率问题，这里为传热指数，当时，传热服从线性唯象传热规律，此时传热系数称为动力学系数[270, 271]；当时，传热服从牛顿传热规律；当时，传热服从平方传热规律，主要适用于一维范围内的热传递，其传热系数为，其中为Planck常量，为Stefan-Boltzmann常数；当时，传热服从立方传热规律，主要适用于二维范围内的热传递；当时，传热服从辐射传热规律，此时传热系数与Stefan-Boltzmann常数有关[255, 256, 264, 269, 272]。
Orlov[273]首先研究了传热规律对恒温热源热机循环*优构型的影响，结果表明在[]传热规律下，给定输入能情况下内可逆热机*大效率时的循环*优构型包括三个等温分支和三个绝热分支，而*大输出功时的循环*优构型包括三个绝热分支和两个等温分支。本书著者等[96, 144, 274-280]研究了线性唯象传热规律[][144, 274, 278]、辐射传热规律[][144, 275, 277]和广义辐射传热规律[][144, 279, 280]下给定循环周期时*大功率优化[144, 274, 278, 280]、给定输入能时*大效率优化[144, 274, 277, 279]和给定压比时*大功率优化[144, 276]的内可逆热机循环*优构型，得到了与Rubin[192, 248]不同的结果，详见本书第2章。Parga等[281]以修正的生态学函数*大为目标研究了广义对流传热规律[]下恒温热源热机循环*优构型。
1.2.2 变温热源理论热机循环*优构型
1.2.2.1 牛顿传热规律下相关研究
1983年，Ondrechen等[282]研究表明牛顿传热规律下有限热容高温热源内可逆热机输出功*大时循环*优构型为：低温侧工质温度为常数，而工质与高温侧热源温度均随时间呈指数规律变化且两者之比为常数的广义内可逆卡诺热机。文献[282]还研究了牛顿传热规律下两有限热容热源内可逆热机输出功*大时的循环*优构型。本书著者等[38, 69, 283]研究了热漏对牛顿传热规律下有限热容高温热源不可逆热机输出功*大时循环*优构型的影响。Salamon和Nitzan[196]分别以功率、效率、效率、熵产率和利润率为目标，对牛顿传热规律下内可逆热机进行研究，结果表明所有*优工况都是在工质与热源间的热交换速率为常数时发生的，并均经过一个瞬时绝热过程。在文献[282]的基础上，杨爱波等[284]研究一类牛顿传热规律下存在热漏和高温热源热容有限的两热源热机熵产生*小与损失*大时的*优构型，并与系统输出功*大时的*优构型对比，结果表明：对于无限热容高温热源，热漏是否存在并不改变循环的*优构型；而对于有限热容高温热源，以系统熵产生*小和损失*大为目标的*优构型与以系统输出功*大为目标的*优构型不完全相同，无热漏时分别以熵产生*小、损失*大和输出功*大为目标的*优构型均相同，而存在热漏时分别以三者为目标时的*优构型各不相同。
1.2.2.2 传热规律的影响
Yan等[285]研究表明线性唯象传热规律下有限热容高温热源内可逆热机输出功*大时循环*优构型为：低温侧工质温度为常数，而工质与高温热源温度倒数之差为常数的另一类广义内可逆卡诺热机。本书著者等[286]研究了热漏对线性唯象传热规律下有限热容高温热源不可逆热机输出功*大时循环*优构型的影响。熊国华等[287]和本书著者等[288]分别研究了广义辐射[287]和广义对流[288]传热规律下有限高温热源内可逆热机输出功*大时循环*优构型。本书著者等[289]进一步研究了一类混合热阻形式[吸热，放热，]下两有限热容热源内可逆热机输出功*大时循环*优构型。李俊[96]和李俊等[290]研究了普适传热规律[]下有限热容高温热源内可逆热机输出功*大时循环*优构型。文献[38]、[69]、[196]、[282]~[290]的优化结果均是在常热源热容和具体的传热规律形式下导出的，本书在不考虑具体的热源热容和热阻模型条件下，研究了两有限热源内可逆热机和存在热漏的有限高温热源不可逆热机*大输出功时循环*优构型，详见本书第3章。
1.2.3 串接、联合和多热源理论热机循环*优构型
Rubin和Andresen[291]研究了两个内可逆卡诺热机联合循环输出功*大时的两子循环*优构型及它们间的*优串接问题。Amelkin等[292, 293]研究了多个无限热容热源下工作的内可逆热机*大功率输出时循环*优构型，结果表明为获得系统的*大功率输出，一些热源必须不参与和工质的热交换，并进一步发现与热源数量无关，热机工质仅经历两个等温过程和两个绝热过程。Tsirlin等[294]研究了牛顿传热规律下包含若干不同温度的热源、有限热容子系统和能量变换器的复杂系统的*优温度与*大功率问题。在文献[294]的基础上，本书著者等[295]进一步研究了线性唯象传热规律下该复杂系统的*优温度和*大功率问题。
1.2.4 具有非均匀工质的理论热机性能界限
1990年，Orlov和Berry[296]分别建立了工质内部温度处处相等的集总参数模型(lumped-parameter model)和由一组偏微分方程组描述工质所处状态的分布式参数模型(distributed-parameter model)，研究了牛顿传热规律下具有非均匀工质的不可逆热机*大功率输出。在文献[296]的基础上，Orlov和Berry[297]进一步研究了牛顿传热规律下具有非均匀工质的不可逆热机*大效率，定义了三种不同的热效率，得到了比传统的集总参数模型更具实际指导意义的效率性能界限。1993年，Orlov和Berry[298]建立了一类存在有限速率传热、流体流动和内部化学反应的理论热机模型，研究了其功率和效率界限，结果表明为获得更大的功率，在非传统热机设计中宜采用加热系统而不是冷却系统。文献[298]还针对一类特殊的化学反应速率方程式得到了燃烧化学反应过程熵产生下限解析解。在文献[296]~[298]的基础上，本书著者等[299-301]首先研究了线性唯象传热规律下具有非均匀工质的不可逆热机的*大功率输出[299]和*大效率[290]，然后以存在有限速率传热、流体流动和内部化学反应的理论热机为研究对象，针对一类普适的化学反应速率方程，考虑气缸内工质传热服从线性唯象传热规律，应用*优控制理论和非线性规划方法导出了其*大功率和效率[301]，得到了与文献[296]~[298]不同的研究结果，详见本书第4章。
1.2.5 基于HJB理论的多级热力循环系统动态优化
有限时间热力学研究的基本热力模型是“内可逆模型”[192]，即只考虑有限速率传热不可逆性的热力系统。严子浚[302]导出了牛顿传热规律下内可逆卡诺热机输出功率与热效率之间的*优关系，即牛顿传热规律下内可逆卡诺热机的基本优化关系。孙丰瑞和赖锡棉[303, 304]、陈文振等[305]得到了热机“全息”功率和热效率谱，形成了牛顿传热规律下内可逆卡诺热机参数选择的有限时间热力学准则。Blanchard[306]*早将Curzon-Ahlborn[247]的研究方法引入热泵循环研究，导出了牛顿传热规律下内可逆卡诺热泵给定供热率时的供热系数界限。Goth和Feidt[307]则导出了牛顿传热规律下内可逆卡诺热泵供热率与供热系数的*优关系，即牛顿传热规律下内可逆卡诺热泵的基本优化关系。孙丰瑞等[308，309]建立了内可逆卡诺热泵的性能全息谱，得到了两热源热泵参数选择的有限时间热力学优化准则。一些学者进一步研究了传热规律、工质内部耗散和旁通热漏等因素对卡诺热机[257-268, 310-315]与卡诺热泵[316-333]性能的影响。然而，上述研究仅属于单级稳态系统的静态优化研究，所用优化方法也很简单。自20世纪90年代中期以来，应用现代*优控制理论，特别是HJB方程和动态规划优化方法，对复杂多级热力循环系统进行动态优化，一直是有限时间热力学非常重要的研究方向之一。
1.2.5.1 牛顿传热规律下相关研究
Sieniutycz[334-339]、Sieniutycz和Spakovsky[340]、Szwast和Sieniutycz[341]应用HJB理论与变分法导出了牛顿传热规律下有限高温流体热源多级连续和离散内可逆卡诺热机与热泵系统的极值功率，结果表明多级内可逆热机系统*大输出功率等于其可逆系统输出功率与一个耗散项之差，多级内可逆热泵系统*小耗功率等于其可逆系统耗功率与一个耗散项之和，高温流体热源温度随无量纲时间呈指数规律变化。Sieniutycz和Szwast[342]、Sieniutycz[343, 344]进一步研究了牛顿传热规律下有限高温流体热源存在有限速率传热和工质内部耗散等不可逆性损失的多级不可逆卡诺热机与热泵系统极值功率优化。李俊[96]和李俊等[345, 346]进一步考虑高、低温侧均为有限热容流体热源，应用变分法研究了牛顿传热规律下多级连续内可逆[345]和不可逆[346]卡诺热机与热泵系统的极值功率优化。
1.2.5.2 传热规律的影响
Kuran[135]、Sieniutycz和Kuran[347, 348]、Sieniutycz[349-352]、Sieniutycz和Jezowski[146]考虑辐射量子效应，研究了辐射传热规律下有限高温流体热源多级连续不可逆卡诺热机和热泵系统的极值功率。由于辐射传热规律下优化问题不存在解析解，文献[135]、[146]、[348]~[352]采用传热系数与高温流体温度的立方成正比的牛顿传热规律即伪牛顿(pseudo-Newtonian)传热规律[]近似代替辐射传热规律给出了优化问题的解析解。Sieniutycz[353]进一步研究了一类非线性传热规律[]即传热系数与高温流体温度的次方成正比的牛顿传热规律下有限高温流体热源多级连续不可逆卡诺热机系统的*大功率输出。李俊[96]和李俊等[354]应用变分法研究了伪牛顿传热规律下高、低温侧均为有限热容流体热源时多级连续内可逆卡诺热机和热泵系统的极值功率。在文献[135]、[146]、[347]~[353]的基础上，本书著者等[355]将伪牛顿传热规律和辐射传热规律下多级热机系统*大功率输出时的优化结果进行了比较。本书著者等[356-360]还考虑热源与工质间传热服从广义对流传热规律[356, 360]和普适传热规律[][357, 358]，应用HJB理论进一步研究多级内可逆[356, 357]和不可逆[358-360]卡诺热机与热泵系统的极值功率优化，并基于普适的优化结果，导出牛顿传热规律()下精确解析解和线性唯象传热规律()下的近似解析解；对于其他传热规律，将连续HJB控制方程离散化并应用动态规划方法获得了优化问题的数值解，纠正了以往文献“将高温流体末态温度取为低温侧热源温度分析多级热机系统的*大功率输出”的错误结果，得到了“存在*佳的高温流体
定价：128.0
ISBN：9787030552969
作者：陈林根
版次：1
出版时间：2017-11
内容提要：
基于广义热力学优化理论，本书对工程界和人类社会中广泛存在的不可逆功、热能、电能、化学能和资本等广义能量转换循环与系统开展了动态优化研究，获得了不同优化目标下的*优构型。本书汇集著者多年研究成果，第1章介绍有限时间热力学、熵产生*小化、广义热力学优化、理论等各种热学优化理论的产生，并回顾与本书相关的动态优化问题的研究现状。第2~8章分别对恒温热源内可逆热机循环、变温热源热机循环、具有非均匀工质的热机性能界限、多级热力循环系统、化学机循环、多级等温化学循环系统、多级非等温不可逆化学机系统的动态优化(*优构型)问题进行研究，提出广义热力学动态优化理论，给出解决各种不可逆广义能量转换循环与系统动态优化问题的统一方法以及普适研究结果。本书在研究方法上以交叉、移植和类比为主， *大特点在于深化物理学理论研究的同时，注重多学科交叉融合研究并紧贴工程实际，在研究过程中追求物理模型的统一性、优化方法的通用性和优化结果的普适性，*终实现基于广义热力学优化理论的不可逆循环动态优化研究成果集成。
目录：
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 理论热力循环动态优化现状 2
1.2.1 恒温热源理论热机循环*优构型 2
1.2.2 变温热源理论热机循环*优构型 3
1.2.3 串接、联合和多热源理论热机循环*优构型 4
1.2.4 具有非均匀工质的理论热机性能界限 5
1.2.5 基于HJB理论的多级热力循环系统动态优化 5
1.3 理论化学循环动态优化现状 7
1.3.1 等温化学循环*优构型 7
1.3.2 非等温化学机循环*优构型 8
1.3.3 基于HJB理论的多级等温化学机循环系统动态优化 9
1.3.4 基于HJB理论的多级非等温化学机循环系统动态优化 9
1.4 本书的主要工作及章节安排 10
第2章 恒温热源内可逆热机循环动态优化 12
2.1 引言 12
2.2 广义辐射传热规律下无压比约束下内可逆热机*大输出功率 12
2.2.1 物理模型 12
2.2.2 优化方法 15
2.2.3 特例分析 23
2.3 广义辐射传热规律下给定压比的内可逆热机*大输出功率? 47
2.3.1 物理模型 47
2.3.2 优化方法 48
2.3.3 特例分析 57
2.4 广义辐射传热规律下给定输入能的内可逆热机*大效率 89
2.4.1 物理模型 89
2.4.2 优化方法 89
2.4.3 特例分析 99
2.5 本章小结 124
第3章 变温热源热机循环动态优化 126
3.1 引言 126
3.2 两有限热容热源内可逆热机*大输出功 126
3.2.1 物理模型 126
3.2.2 优化方法 128
3.2.3 特例分析与讨论 130
3.3 存在热漏的有限高温热源不可逆热机*大输出功 134
3.3.1 物理模型 134
3.3.2 优化方法 134
3.3.3 特例分析与讨论 136
3.4 本章小结 138
第4章 具有非均匀工质的热机性能界限 139
4.1 引言 139
4.2 线性唯象传热规律下非均匀工质非回热不可逆热机 *大输出功率 139
4.2.1 物理模型 139
4.2.2 优化方法 142
4.2.3 数值算例与讨论 146
4.3 线性唯象传热规律下非均匀工质非回热 不可逆热机*大效率 149
4.3.1 物理模型 149
4.3.2 优化方法 150
4.3.3 数值算例与讨论 153
4.4 具有非均匀工质的一类理论热机*大功率和效率 155
4.4.1 物理模型 155
4.4.2 优化方法 158
4.4.3 不同反应速率方程和热阻模型下优化结果的比较 163
4.5 本章小结 164
第5章 基于HJB理论的多级热力循环系统动态优化 166
5.1 引言 166
5.2 普适传热规律下多级不可逆热机系统*大输出功率 166
5.2.1 系统建模与特性描述 166
5.2.2 优化方法 170
5.2.3 特例分析 171
5.2.4 数值算例与讨论 179
5.3 普适传热规律下多级不可逆热泵系统耗功率*小优化 197
5.3.1 系统建模与特性描述 197
5.3.2 优化方法 200
5.3.3 特例分析 201
5.3.4 数值算例与讨论 207
5.4 本章小结 211
第6章 化学机循环动态优化 213
6.1 引言 213
6.2 有限高势库等温内可逆化学机*大输出功 214
6.2.1 物理模型 214
6.2.2 优化方法 216
6.2.3 特例分析与讨论 218
6.3 存在质漏的有限高势库等温不可逆化学机*大输出功 224
6.3.1 物理模型 224
6.3.2 优化方法 225
6.3.3 特例分析与讨论 227
6.4 多库等温内可逆化学机*大输出功率 230
6.4.1 物理模型 230
6.4.2 优化方法 231
6.4.3 数值算例与讨论 234
6.5 基于LIT的有限高势库非等温内可逆化学机*大输出功 237
6.5.1 物理模型 237
6.5.2 优化方法 239
6.5.3 特例分析与讨论 241
6.6 本章小结 246
第7章 基于HJB理论的多级等温化学循环系统动态优化 248
7.1 引言 248
7.2 线性传质规律下多级等温不可逆化学机系统*大输出功率优化 249
7.2.1 系统建模与特性描述 249
7.2.2 优化方法 255
7.2.3 数值算例与讨论 260
7.3 扩散传质规律下多级等温不可逆化学机系统*大功率输出优化 271
7.3.1 系统建模与特性描述 271
7.3.2 优化方法 273
7.3.3 数值算例与讨论 275
7.4 线性传质规律下多级等温内可逆化学泵系统耗功率*小优化 278
7.4.1 系统建模与特性描述 278
7.4.2 优化方法 281
7.4.3 数值算例与讨论 282
7.5 本章小结 287
第8章 基于HJB理论的多级非等温不可逆化学机系统动态优化 288
8.1 引言 288
8.2 基于Lewis相似的单级非等温不可逆化学机*大输出功率 288
8.2.1 物理模型 288
8.2.2 优化方法 291
8.2.3 特例分析 294
8.2.4 数值算例与讨论 296
8.3 基于Lewis相似的多级非等温不可逆化学机系统*大输出功率 299
8.3.1 系统建模与特性描述 299
8.3.2 优化方法 301
8.3.3 特例分析 303
8.4 基于LIT的单级非等温不可逆化学机*大输出功率 305
8.4.1 物理模型 305
8.4.2 优化方法 306
8.4.3 特例分析 310
8.4.4 数值算例与讨论 311
8.5 基于LIT的多级非等温不可逆化学机系统*大输出功率 314
8.5.1 系统建模与特性描述 314
8.5.2 优化方法 317
8.5.3 特例分析 317
8.6 本章小结 319
第9章 全书总结 321
参考文献 327
附录A *优化理论概述 346
A.1 引言 346
A.2 静态优化 347
A.2.1 无约束函数极值优化 347
A.2.2 仅含等式约束函数极值优化 348
A.2.3 含不等式约束函数极值优化 349
A.3 动态优化 350
A.3.1 古典变分法 351
A.3.2 极小值原理 356
A.3.3 动态规划 359
A.3.4 平均*优控制理论 365
A.4 附录A小结 367
附录B 主要符号说明 368
Contents
Preface
Chapter 1 Introduction 1
1.1 Introduction 1
1.2 The dynamic-optimization status of theoretical thermodynamic cycles 2
1.2.1 Optimal configurations of theoretical heat engine cycles with constant-temperature heat reservoirs 2
1.2.2 Optimal configurations of theoretical heat engine cycles with variable-temperature heat reservoirs 3
1.2.3 Optimal configurations of sequential, combined and multi- reservoir theoretical heat engine cycles 4
1.2.4 Performance limits for theoretical heat engines with a non-uniform working fluid 5
1.2.5 Dynamic-optimization of multistage thermodynamic cycle systems based on Hamilton-Jacobi-Bellman theory 5
1.3 The dynamic-optimization status of theoretical chemical cycles 7
1.3.1 Optimal configurations of isothermal chemical cycles 7
1.3.2 Optimal configurations of non-isothermal chemical cycles 8
1.3.3 Dynamic-optimization of multistage isothermal chemical cycle systems based on Hamilton-Jacobi-Bellman theory 9
1.3.4 Dynamic-optimization of multistage non-isothermal chemical cycle systems based on Hamilton-Jacobi-Bellman theory 9
1.4 The major work and chapters’ arrangement of this book 10
Chapter 2 Dynamic-Optimization of Endoreversible Heat Engines with Constant- Temperature Heat Reservoirs 12
2.1 Introduction 12
2.2 Maximum power output of endoreversible heat engines with generalized radiative heat transfer law and without constraint of compression ratio 12
2.2.1 Physical model 12
2.2.2 Optimization method 15
2.2.3 Analyses for special cases 23
2.3 Maximum power output of endoreversible heat engines with generalized radiative heat transfer law and fixed compression ratio 47
2.3.1 Physical model 47
2.3.2 Optimization method 48
2.3.3 Analyses for special cases 57
2.4 Maximum efficiency of endoreversible heat engines with generalized radiative heat transfer law and fixed input energy 89
2.4.1 Physical model 89
2.4.2 Optimization method 89
2.4.3 Analyses for special cases 99
2.5 Chapter summary 124
Chapter 3 Dynamic-Optimization of Heat Engine Cycles with Variable-Temperature Heat Reservoirs 126
3.1 Introduction 126
3.2 Maximum work output of endoreversible heat engines with two finite thermal capacity heat reservoirs 126
3.2.1 Physical model 126
3.2.2 Optimization method 128
3.2.3 Analyses for special cases and discussions 130
3.3 Maximum work output of irreversible heat engines with finite high-temperature heat source and bypass heat leakage 134
3.3.1 Physical model 134
3.3.2 Optimization method 134
3.3.3 Analyses for special cases and discussions 136
3.4 Chapter summary 138
Chapter 4 Performance Limits of Heat Engines with a Non- Uniform Working Fluid 139
4.1 Introduction 139
4.2 Maximum power output of irreversible non-regeneration heat engines with the non-uniform working fluid and linear phenomenological heat transfer law 139
4.2.1 Physical model 139
4.2.2 Optimization method 142
4.2.3 Numerical examples and discussions 146
4.3 Maximum efficiency of irreversible non-regeneration heat engines with the non-uniform working fluid and linear phenomenological heat transfer law 149
4.3.1 Physical model 149
4.3.2 Optimization method 150
4.3.3 Numerical examples and discussions 153
4.4 Maximum power and efficiency of a class of theoretical heat engines with the non-uniform working fluid 155
4.4.1 Physical model 155
4.4.2 Optimization method 158
4.4.3 Comparison of optimization results with different reaction rate equations and thermal resistance models 163
4.5 Chapter summary 164
Chapter 5 Dynamic-Optimization of Multistage Thermodynamic Cycle Systems Based on Hamilton-Jacobi-Bellman Theory 166
5.1 Introduction 166
5.2 Maximum power output of multistage irreversible heat engine systems with a generalized heat transfer law 166
5.2.1 System modeling and characteristic description 166
5.2.2 Optimization method 170
5.2.3 Analyses for special cases 171
5.2.4 Numerical examples and discussions 179
5.3 Minimum power consumption of multistage irreversible heat pump systems with the generalized heat transfer law 197
5.3.1 System modeling and characteristic description 197
5.3.2 Optimization method 200
5.3.3 Analyses for special cases 201
5.3.4 Numerical examples and discussions 207
5.4 Chapter summary 211
Chapter 6 Dynamic-Optimization of Chemical Engine Cycles 213
6.1 Introduction 213
6.2 Maximum work output of isothermal endoreversible chemical engines with a finite high-potential mass reservoir 214
6.2.1 Physical model 214
6.2.2 Optimization method 216
6.2.3 Analyses for special cases and discussions 218
6.3 Maximum work output of isothermal irreversible chemical engines with a finite high-potential mass reservoir and mass leakage 224
6.3.1 Physical model 224
6.3.2 Optimization method 225
6.3.3 Analyses for special cases and discussions 227
6.4 Maximum power output of a multi-reservoir isothermal endoreversible chemical engine 230
6.4.1 Physical model 230
6.4.2 Optimization method 231
6.4.3 Numerical examples and discussions 234
6.5 Maximum work output of non-isothermal endoreversible chemical engines with a finite high-potential mass reservoir based on linear irreversible thermodynamics 237
6.5.1 Physical model 237
6.5.2 Optimization method 239
6.5.3 Analyses for special cases and discussions 241
6.6 Chapter summary 246
Chapter 7 Dynamic-Optimization of Multistage Isothermal Chemical Cycle Systems Based on Hamilton-Jacobi- Bellman Theory 248
7.1 Introduction 248
7.2 Maximum power output of a multistage isothermal irreversible chemical engine system with linear mass transfer law 249
7.2.1 System modeling and characteristic description 249
7.2.2 Optimization method 255
7.2.3 Numerical examples and discussions 260
7.3 Maximum power output of a multistage isothermal irreversible chemical engine system with diffusive mass transfer law 271
7.3.1 System modeling and characteristic description 271
7.3.2 Optimization method 273
7.3.3 Numerical examples and discussions 275
7.4 Optimization for minimizing power consumption of a multistage isothermal endoreversible chemical pump system with linear mass transfer law 278
7.4.1 System modeling and characteristic description 278
7.4.2 Optimization method 281
7.4.3 Numerical examples and discussions 282
7.5 Chapter summary 287
Chapter 8 Dynamic-Optimization of Multistage Non-Isothermal Irreversible Chemical Engine Systems Based on Hamilton -Jacobi-Bellman Theory 288
8.1 Introduction 288
8.2 Maximum power output of a single-stage non-isothermal irreversible chemical engine based on Lewis similarity criterion 288
8.2.1 Physical model 288
8.2.2 Optimization method 291
8.2.3 Analyses for special cases 294
8.2.4 Numerical examples and discussions 296
8.3 Maximum power output of a multistage non-isothermal irreversible chemical engine system based on Lewis similarity criterion 299
8.3.1 System modeling and characteristic description 299
8.3.2 Optimization method 301
8.3.3 Analyses for special cases 303
8.4 Maximum power output of a single-stage non-isothermal irreversible chemical engine based on linear irreversible thermodynamics 305
8.4.1 Physical model 305
8.4.2 Optimization method 306
8.4.3 Analyses for special cases 310
8.4.4 Numerical examples and discussions 311
8.5 Maximum power output of a multistage non-isothermal irreversible chemical engine system based on linear irreversible thermodynamics 314
8.5.1 System modeling and characteristic description 314
8.5.2 Optimization method 317
8.5.3 Analyses for special cases 317
8.6 Chapter summary 319
Chapter 9 Book Summary 321
References 327
Appendix A An Overview of Optimization Theory 346
A.1 Introduction 346
A.2 Static optimization 347
A.2.1 Function extremum optimization without constraint 347
A.2.2 Function extremum optimization with equality constraints 348
A.2.3 Function extremum optimization with inequality constraints 349
A.3 Dynamic optimization 350
A.3.1 Classical variational method 351
A.3.2 The minimum principle 356
A.3.3 Dynamic programming 359
A.3.4 Average optimal control theory 365
A.4 Appendix summary 367
Appendix B Nomenclature 368
在线试读：
第1章 绪论
1.1 引言
有限时间热力学(finite time thermodynamics，FTT)是20世纪70年代中期由国际物理学界芝加哥学派的Berry、Andresen、Salamon、Sieniutycz等创立的一个现代热力学分支[1-28]。它着重考虑原先经典平衡态热力学中所忽略的“时间”或“速率”因素，通过将热力学、传热学和流体力学等基础学科相结合，在“有限时间”或“有限面积”约束下，求解各类传热传质过程、热力化学循环与装置在熵产生*小、*大输出功/功率、*大热效率、*大效率、*大利润率等不同性能目标时的静态优化(*优性能)[29-114]与动态优化(*优构型)[115-164]问题。与此同时，在工程学界，美国杜克大学的Bejan则导出了有限速率下传热与流动过程熵产生的统一表达式[165, 166]，并提出以“熵产生*小”作为统一的目标优化各类存在有限温差传热和有限压降流动不可逆性的过程与装置性能[167]，由此创立了“熵产生*小化(entropy generation minimization，EGM)”理论[166-189]。1998~1999年，本书著者等[69, 190, 191]提出把对传热过程和热机的有限时间热力学分析方法与思路拓广到自然界和工程界中各种存在广义势差和广义位移的过程、装置和系统，广泛采用“内可逆模型(endoreversible model)”[192]以突出分析主要不可逆性，建立起设计的优化理论，即“广义热力学优化(generalized thermodynamic optimization，GTO)”理论。
然而，“熵产生*小”并非总与人们所追求的装置性能目标是完全等价的，例如，在热机优化中，“熵产生*小”和“*大输出功率”两种目标并非总是一致的，与研究对象类型、系统边界划分等因素有关，具体讨论见文献[193]~[202]；在换热器优化中，“熵产生减少”与“有效度增加”也并非总是正相关，对于平衡流逆流式换热器的性能分析结果表明，当有效度在的区间内单调增加时，熵产生也单调增加[203]，这种现象称为“熵产悖论”[166, 168, 204-207]。2003年，清华大学过增元院士等[208]指出熵是表征热功转换过程的物理量，而换热器设计中人们更关心热量传递过程的速率或效率，定义了一个表征物体热量传递能力的新物理量——“热量传递势容”。2006~2007年，过增元等[209, 210]将此物理量更名为“”，并建立了用于传热过程优化的“耗散极值原理”和“*小当量热阻原理”，由此创立了“理论(entransy theory)”[211-223]。本书著者开辟了将有限时间热力学和理论相结合进行研究的新方向，研究了换热器传热[224-228]、液-固相变传热[229]、节流[230]、传质[231-233]、结晶[234]等传热传质过程的动态优化问题。程雪涛和梁新刚[235, 236]进一步提出了“损失”的概念，将理论拓展用于热力循环性能优化[237-244]。
有限时间热力学、熵产生*小化、广义热力学优化理论和理论均是近40年来产生与发展起来的现代热学优化理论，促进了热力学、传热学和流体力学等各学科分支及其交叉研究的发展。综合应用热力学、传热传质学、流体力学以及其他传输科学的基础理论，采用交叉、移植、类比的研究思路，将有限时间热力学与熵产生*小化、理论相结合，实现各种形式能量传递过程和转换循环与系统的广义热力学优化，符合多学科交叉融合研究的发展趋势，是一个具有重要理论价值和广阔应用前景的研究方向。
有关有限时间热力学、熵产生*小化、广义热力学优化理论等热学优化理论的产生、发展、物理内涵等相关内容在本书著者2017年出版的《不可逆过程的广义热力学动态优化》[245]一书中已进行较为详细的阐述，故在本书中不再赘述。与文献[245]重点研究不可逆过程的优化不同，本书将基于热力学、传热传质学、流体力学、化学反应动力学以及经济学等各学科中有限势差能量转换循环与系统间的相似性，采用有限时间热力学研究思路和*优控制理论优化方法全面系统地对不可逆循环和系统进行动态优化，获得各种循环在不同优化目标下的*优构型；在此基础上，对已有研究对象和研究结果进行总结归纳，针对其中几类典型的研究对象，抽出共性，突出本质，建立其相应的广义热力学抽象物理模型，寻求统一的优化方法，获得普适的*优构型优化结果和研究结论，实现基于广义热力学优化理论的不可逆循环研究成果集成。
1.2 理论热力循环动态优化现状
1.2.1 恒温热源理论热机循环*优构型
1.2.1.1 牛顿传热规律下相关研究
Cutowicz-Krusin等[246]证明恒温热源下所有可接受的循环中内可逆(endoreversible)卡诺循环在大压比时产生的功率*大，即此时的*优构型为Curzon-Ahlborn循环[247]。Rubin[192, 248]研究了牛顿传热规律[]时不同约束下内可逆热机的*优构型，得出给定循环周期时*大功率和给定输入能时*大效率的*优构型分别为6分支循环和8分支循环[192]，并把这个结果扩展到给定压比的一类热机，得出*大输出功率时的*优构型为8分支循环[248]。Salamon等[195]以*小熵产生为目标优化了各种热机循环的*优构型，结果表明对应于各种热机*小熵产生时的各循环中非绝热分支熵产率为常数。Augulo-Brown等[249]考虑以功率和熵产率折中的生态学函数[250-252]*大为目标研究了牛顿传热规律下恒温热源往复式热机循环的*优构型。
1.2.1.2 传热规律的影响
然而实际传热过程并不总是服从牛顿传热规律，传热规律对热机循环性能有显著影响[253-268]。de Vos[269]研究了广义辐射传热规律下内可逆卡诺热机*大功率输出时的效率问题，这里为传热指数，当时，传热服从线性唯象传热规律，此时传热系数称为动力学系数[270, 271]；当时，传热服从牛顿传热规律；当时，传热服从平方传热规律，主要适用于一维范围内的热传递，其传热系数为，其中为Planck常量，为Stefan-Boltzmann常数；当时，传热服从立方传热规律，主要适用于二维范围内的热传递；当时，传热服从辐射传热规律，此时传热系数与Stefan-Boltzmann常数有关[255, 256, 264, 269, 272]。
Orlov[273]首先研究了传热规律对恒温热源热机循环*优构型的影响，结果表明在[]传热规律下，给定输入能情况下内可逆热机*大效率时的循环*优构型包括三个等温分支和三个绝热分支，而*大输出功时的循环*优构型包括三个绝热分支和两个等温分支。本书著者等[96, 144, 274-280]研究了线性唯象传热规律[][144, 274, 278]、辐射传热规律[][144, 275, 277]和广义辐射传热规律[][144, 279, 280]下给定循环周期时*大功率优化[144, 274, 278, 280]、给定输入能时*大效率优化[144, 274, 277, 279]和给定压比时*大功率优化[144, 276]的内可逆热机循环*优构型，得到了与Rubin[192, 248]不同的结果，详见本书第2章。Parga等[281]以修正的生态学函数*大为目标研究了广义对流传热规律[]下恒温热源热机循环*优构型。
1.2.2 变温热源理论热机循环*优构型
1.2.2.1 牛顿传热规律下相关研究
1983年，Ondrechen等[282]研究表明牛顿传热规律下有限热容高温热源内可逆热机输出功*大时循环*优构型为：低温侧工质温度为常数，而工质与高温侧热源温度均随时间呈指数规律变化且两者之比为常数的广义内可逆卡诺热机。文献[282]还研究了牛顿传热规律下两有限热容热源内可逆热机输出功*大时的循环*优构型。本书著者等[38, 69, 283]研究了热漏对牛顿传热规律下有限热容高温热源不可逆热机输出功*大时循环*优构型的影响。Salamon和Nitzan[196]分别以功率、效率、效率、熵产率和利润率为目标，对牛顿传热规律下内可逆热机进行研究，结果表明所有*优工况都是在工质与热源间的热交换速率为常数时发生的，并均经过一个瞬时绝热过程。在文献[282]的基础上，杨爱波等[284]研究一类牛顿传热规律下存在热漏和高温热源热容有限的两热源热机熵产生*小与损失*大时的*优构型，并与系统输出功*大时的*优构型对比，结果表明：对于无限热容高温热源，热漏是否存在并不改变循环的*优构型；而对于有限热容高温热源，以系统熵产生*小和损失*大为目标的*优构型与以系统输出功*大为目标的*优构型不完全相同，无热漏时分别以熵产生*小、损失*大和输出功*大为目标的*优构型均相同，而存在热漏时分别以三者为目标时的*优构型各不相同。
1.2.2.2 传热规律的影响
Yan等[285]研究表明线性唯象传热规律下有限热容高温热源内可逆热机输出功*大时循环*优构型为：低温侧工质温度为常数，而工质与高温热源温度倒数之差为常数的另一类广义内可逆卡诺热机。本书著者等[286]研究了热漏对线性唯象传热规律下有限热容高温热源不可逆热机输出功*大时循环*优构型的影响。熊国华等[287]和本书著者等[288]分别研究了广义辐射[287]和广义对流[288]传热规律下有限高温热源内可逆热机输出功*大时循环*优构型。本书著者等[289]进一步研究了一类混合热阻形式[吸热，放热，]下两有限热容热源内可逆热机输出功*大时循环*优构型。李俊[96]和李俊等[290]研究了普适传热规律[]下有限热容高温热源内可逆热机输出功*大时循环*优构型。文献[38]、[69]、[196]、[282]~[290]的优化结果均是在常热源热容和具体的传热规律形式下导出的，本书在不考虑具体的热源热容和热阻模型条件下，研究了两有限热源内可逆热机和存在热漏的有限高温热源不可逆热机*大输出功时循环*优构型，详见本书第3章。
1.2.3 串接、联合和多热源理论热机循环*优构型
Rubin和Andresen[291]研究了两个内可逆卡诺热机联合循环输出功*大时的两子循环*优构型及它们间的*优串接问题。Amelkin等[292, 293]研究了多个无限热容热源下工作的内可逆热机*大功率输出时循环*优构型，结果表明为获得系统的*大功率输出，一些热源必须不参与和工质的热交换，并进一步发现与热源数量无关，热机工质仅经历两个等温过程和两个绝热过程。Tsirlin等[294]研究了牛顿传热规律下包含若干不同温度的热源、有限热容子系统和能量变换器的复杂系统的*优温度与*大功率问题。在文献[294]的基础上，本书著者等[295]进一步研究了线性唯象传热规律下该复杂系统的*优温度和*大功率问题。
1.2.4 具有非均匀工质的理论热机性能界限
1990年，Orlov和Berry[296]分别建立了工质内部温度处处相等的集总参数模型(lumped-parameter model)和由一组偏微分方程组描述工质所处状态的分布式参数模型(distributed-parameter model)，研究了牛顿传热规律下具有非均匀工质的不可逆热机*大功率输出。在文献[296]的基础上，Orlov和Berry[297]进一步研究了牛顿传热规律下具有非均匀工质的不可逆热机*大效率，定义了三种不同的热效率，得到了比传统的集总参数模型更具实际指导意义的效率性能界限。1993年，Orlov和Berry[298]建立了一类存在有限速率传热、流体流动和内部化学反应的理论热机模型，研究了其功率和效率界限，结果表明为获得更大的功率，在非传统热机设计中宜采用加热系统而不是冷却系统。文献[298]还针对一类特殊的化学反应速率方程式得到了燃烧化学反应过程熵产生下限解析解。在文献[296]~[298]的基础上，本书著者等[299-301]首先研究了线性唯象传热规律下具有非均匀工质的不可逆热机的*大功率输出[299]和*大效率[290]，然后以存在有限速率传热、流体流动和内部化学反应的理论热机为研究对象，针对一类普适的化学反应速率方程，考虑气缸内工质传热服从线性唯象传热规律，应用*优控制理论和非线性规划方法导出了其*大功率和效率[301]，得到了与文献[296]~[298]不同的研究结果，详见本书第4章。
1.2.5 基于HJB理论的多级热力循环系统动态优化
有限时间热力学研究的基本热力模型是“内可逆模型”[192]，即只考虑有限速率传热不可逆性的热力系统。严子浚[302]导出了牛顿传热规律下内可逆卡诺热机输出功率与热效率之间的*优关系，即牛顿传热规律下内可逆卡诺热机的基本优化关系。孙丰瑞和赖锡棉[303, 304]、陈文振等[305]得到了热机“全息”功率和热效率谱，形成了牛顿传热规律下内可逆卡诺热机参数选择的有限时间热力学准则。Blanchard[306]*早将Curzon-Ahlborn[247]的研究方法引入热泵循环研究，导出了牛顿传热规律下内可逆卡诺热泵给定供热率时的供热系数界限。Goth和Feidt[307]则导出了牛顿传热规律下内可逆卡诺热泵供热率与供热系数的*优关系，即牛顿传热规律下内可逆卡诺热泵的基本优化关系。孙丰瑞等[308，309]建立了内可逆卡诺热泵的性能全息谱，得到了两热源热泵参数选择的有限时间热力学优化准则。一些学者进一步研究了传热规律、工质内部耗散和旁通热漏等因素对卡诺热机[257-268, 310-315]与卡诺热泵[316-333]性能的影响。然而，上述研究仅属于单级稳态系统的静态优化研究，所用优化方法也很简单。自20世纪90年代中期以来，应用现代*优控制理论，特别是HJB方程和动态规划优化方法，对复杂多级热力循环系统进行动态优化，一直是有限时间热力学非常重要的研究方向之一。
1.2.5.1 牛顿传热规律下相关研究
Sieniutycz[334-339]、Sieniutycz和Spakovsky[340]、Szwast和Sieniutycz[341]应用HJB理论与变分法导出了牛顿传热规律下有限高温流体热源多级连续和离散内可逆卡诺热机与热泵系统的极值功率，结果表明多级内可逆热机系统*大输出功率等于其可逆系统输出功率与一个耗散项之差，多级内可逆热泵系统*小耗功率等于其可逆系统耗功率与一个耗散项之和，高温流体热源温度随无量纲时间呈指数规律变化。Sieniutycz和Szwast[342]、Sieniutycz[343, 344]进一步研究了牛顿传热规律下有限高温流体热源存在有限速率传热和工质内部耗散等不可逆性损失的多级不可逆卡诺热机与热泵系统极值功率优化。李俊[96]和李俊等[345, 346]进一步考虑高、低温侧均为有限热容流体热源，应用变分法研究了牛顿传热规律下多级连续内可逆[345]和不可逆[346]卡诺热机与热泵系统的极值功率优化。
1.2.5.2 传热规律的影响
Kuran[135]、Sieniutycz和Kuran[347, 348]、Sieniutycz[349-352]、Sieniutycz和Jezowski[146]考虑辐射量子效应，研究了辐射传热规律下有限高温流体热源多级连续不可逆卡诺热机和热泵系统的极值功率。由于辐射传热规律下优化问题不存在解析解，文献[135]、[146]、[348]~[352]采用传热系数与高温流体温度的立方成正比的牛顿传热规律即伪牛顿(pseudo-Newtonian)传热规律[]近似代替辐射传热规律给出了优化问题的解析解。Sieniutycz[353]进一步研究了一类非线性传热规律[]即传热系数与高温流体温度的次方成正比的牛顿传热规律下有限高温流体热源多级连续不可逆卡诺热机系统的*大功率输出。李俊[96]和李俊等[354]应用变分法研究了伪牛顿传热规律下高、低温侧均为有限热容流体热源时多级连续内可逆卡诺热机和热泵系统的极值功率。在文献[135]、[146]、[347]~[353]的基础上，本书著者等[355]将伪牛顿传热规律和辐射传热规律下多级热机系统*大功率输出时的优化结果进行了比较。本书著者等[356-360]还考虑热源与工质间传热服从广义对流传热规律[356, 360]和普适传热规律[][357, 358]，应用HJB理论进一步研究多级内可逆[356, 357]和不可逆[358-360]卡诺热机与热泵系统的极值功率优化，并基于普适的优化结果，导出牛顿传热规律()下精确解析解和线性唯象传热规律()下的近似解析解；对于其他传热规律，将连续HJB控制方程离散化并应用动态规划方法获得了优化问题的数值解，纠正了以往文献“将高温流体末态温度取为低温侧热源温度分析多级热机系统的*大功率输出”的错误结果，得到了“存在*佳的高温流体