不可逆循環的廣義熱力學動態優化（簡體書）

節能是我國國民經濟可持續發展的基本國策，工程中各種節能手段與措施的實施迫切需要先進的節能理論提供指導。本書在全面深入介紹有限時間熱力學、廣義熱力學優化理論等現代熱力學優化理論與總結前人研究成果的基礎上，基於廣義熱力學優化理論的思想，以功、熱能、化學能、電能和資本等廣義能量轉換循環與系統的動態優化問題為突破口，將熱力學、傳熱傳質學、流體力學、電學、經濟學和最優控制理論相結合，分析研究理論熱力循環、理想內燃機裝置、化學循環、電池作功電路和商業機循環等不可逆循環的最優性能與最優構型。本書彙集了作者多年的研究成果，第1章介紹有限時間熱力學和廣義熱力學優化理論的產生、發展以及各類不可逆循環動態優化的研究現狀，第2、3、4章分別介紹恒溫熱源內可逆熱機循環最優構型、變溫熱源熱機循環最優構型、具有非均勻工質的理論熱機性能界限，第5、6、7章分別介紹活塞式加熱氣缸最優膨脹規律、內燃機活塞運動最優路徑、基於HJB理論的多級熱力循環系統動態優化，第8、9、10、11章分別介紹化學機循環最優構型、光化學發動機活塞運動最優路徑、基於HJB理論的多級等溫化學循環系統動態優化、基於HJB理論的多級非等溫化學循環系統動態優化，第12、13、14章分別介紹電池作功電路、商業機循環、廣義機循環動態優化，第15章總結了全書的主要工作和創新點。

陳林根（1964—），男，浙江海鹽人，教授，博士生導師，中國人民解放軍海軍工程大學動力工程學院院長，艦船動力工程軍隊重點實驗室主任，艦船動力工程國家級實驗教學示范中心主任。主要從事有限時間熱力學、自然組織構形理論、葉輪機械最優設計、現代維修理論和工程研究。因教學科研和人才培養工作成績卓著，榮立二等功1次，三等功3次。獲湖北省自然科學二、三等獎8項，軍隊科技進步二、三等獎5項，軍隊教學成果二、三等獎3項。獲首屆中國科學技術協會“求是杰出青年實用工程獎”和“全國百篇優秀博士學位論文獎”。被評為全軍院校教書育人優秀教師，全軍優秀教師，全軍優秀博士。獲政府特殊津貼，中國人民解放軍優秀專業技術人才一類崗位津貼。入選教育部“新世紀優秀人才支持計劃”和“新世紀百千萬人才工程”國家級人選。 主持國家973計劃課題、國防973計劃子課題、國家重點研發計劃子課題、國家自然科學基金等國家級項目10項，軍委科技委、總裝備部和海軍裝備部項目32項，教育科研項目8項。已出版英文專著2部，中文專著7部，譯著15部，發表學術論文1690篇，其中，540余篇為SCI摘錄，580余篇為EI摘錄，22篇為ESI高被引論文，7900余篇次為國外學者引用，2800余篇次為國內學者引用。入選Elsevier 2014年、2015年、2016年、2017年中國高被引學者，在能源領域高被引學者榜單中分別位列全國第一、第二、第二、第二。入選2016年“全球能源科學與工程學科高被引學者”名單。 指導出站博士后9名、畢業博士研究生25名、碩士研究生35名。獲得2個全國優秀博士學位論文提名指導教師獎，57個海軍、全軍和湖北省優秀博士、碩士學位論文指導教師獎。 應聘擔任教育部高等學校能源動力類專業教學指導委員會副主任委員，中國工程熱物理學會理事，中國工程熱物理學會工程熱力學分會副主任委員，全國高校工程熱物理學會副理事長，4個國家和省部級重點實驗室學術委員會委員，1家國際學術刊物的主編，13家國際學術刊物和6家國內學術刊物的編委。夏少軍（1986—），男，湖北仙桃人。2007年畢業于中國人民解放軍海軍工程大學艦艇動力工程專業，獲學士學位；2012年畢業于中國人民解放軍海軍工程大學動力工程及工程熱物理專業，獲博士學位。現為中國人民解放軍海軍工程大學動力工程學院熱力工程教研室副主任、講師，主要從事現代熱力學優化理論及其應用基礎研究。 先后獲2013年度全軍和湖北省優秀博士學位論文獎、2015年湖北省自然科學二等獎1項、2015年軍隊教學成果三等獎1項，立三等功2次。主持國家自然科學基金項目1項、大學基金項目3項，參與國家973計劃課題、國家重點研發計劃子課題、國家自然科學基金項目等國家級課題9項。出版學術專著3部，發表學術論文70篇，41篇發表在Energy、J.Appl.Phys.等國際學術刊物上，14篇發表在《中國科學》和《科學通報》中、英文版上，40篇為SCI摘錄，41篇為EI摘錄，2篇論文入選ESI高被引論文，2篇論文入選中國科技期刊F5000頂尖學術論文，1篇論文獲《中國科學》高引次優秀論文獎，已發表論文被SCI他引280余篇次。入選中國人民解放軍海軍工程大學首批“33511人才工程”支持計劃，擔任中國工程熱物理學會熱力學青年論壇組委會委員。

節能是我國國民經濟可持續發展的基本國策，工程中各種節能手段與措施的實施迫切需要先進的節能理論提供指導。陳林根、夏少軍著的《不可逆循環的廣義熱力學動態優化——工程熱力裝置與廣義機循環》在全面系統地了解現今各種熱力學優化理論和總結前人已有研究成果的基礎上，基于廣義熱力學優化理論的思想，選定功、熱能、化學能、資本等廣義能量轉換循環的動態優化問題為突破口，將熱力學、傳熱傳質學、流體力學、化學反應動力學、經濟學、最優控制理論相結合，分析研究工程熱力裝置、商業機等不可逆循環在不同優化目標下的最優構型，獲得各類不可逆循環新構型，同時，探索建立統一的廣義熱力循環物理模型，尋求統一的優化方法，獲得普適的優化結果和研究結論，已有相關研究結果均為本結果的特例，有助于促進熱力學優化理論成體系地向前發展和完善，可為各類能量轉換系統及實際裝置的優化設計與最優運行提供科學依據和理論指導。

前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 工程熱力裝置的動態優化現狀 2
1.2.1 活塞式加熱氣缸最優膨脹規律 2
1.2.2 內燃機活塞運動最優路徑 3
1.2.3 光驅動發動機活塞運動最優路徑 5
1.3 商業機循環動態優化現狀 6
1.4 本書的主要工作及章節安排 7
第2章 活塞式加熱氣缸氣體最優膨脹規律 9
2.1 引言 9
2.2 廣義輻射傳熱規律下加熱氣體的最優膨脹 10
2.2.1 物理模型 10
2.2.2 優化方法 11
2.2.3 特例分析 13
2.2.4 數值算例與討論 18
2.3 線性唯象傳熱規律下優化結果的應用 27
2.3.1 過程時間優化 27
2.3.2 內燃機輸出功率優化 31
2.3.3 外燃機輸出功率優化 40
2.4 廣義輻射傳熱規律下變熱導率加熱氣體最優膨脹規律 44
2.4.1 物理模型 44
2.4.2 優化方法 46
2.4.3 特例分析 49
2.4.4 數值算例與討論 53
2.5 本章小結 67
第3章 內燃機活塞運動最優路徑 70
3.1 引言 70
3.2 廣義輻射傳熱規律下Otto循環內燃機最大輸出功 70
3.2.1 物理模型 70
3.2.2 傳統內燃機活塞運動規律 72
3.2.3 優化方法 72
3.2.4 特例分析 77
3.2.5 數值算例與討論 78
3.3 廣義輻射傳熱規律下Diesel循環內燃機最大輸出功 86
3.3.1 物理模型 86
3.3.2 優化方法 87
3.3.3 特例分析 89
3.3.4 數值算例與討論 90
3.4 本章小結 98
第4章 光化學發動機活塞運動最優路徑 99
4.1 引言 99
4.2 廣義輻射傳熱規律下[A][B]型光驅動發動機最大輸出功和最小熵產生 100
4.2.1 物理模型 100
4.2.2 優化方法 103
4.2.3 特例分析 106
4.2.4 數值算例與討論 109
4.3 廣義輻射傳熱規律下[A][B]型光驅動發動機的最大生態學函數 119
4.3.1 優化方法 119
4.3.2 特例分析 121
4.3.3 數值算例與討論 123
4.4 線性唯象傳熱規律下2SO3FS2O6F2型雙分子光驅動發動機最大輸出功和最小熵產生 132
4.4.1 物理模型 132
4.4.2 優化方法 135
4.4.3 數值算例與討論 138
4.5 傳熱規律對光驅動發動機最大生態學函數最優構型的影響 144
4.5.1 物理模型 144
4.5.2 優化方法 146
4.5.3 特例分析 148
4.5.4 數值算例與討論 149
4.6 本章小結 157
第5章 貿易過程和商業機循環動態優化 160
5.1 引言 160
5.2 有限低價經濟庫內可逆商業機最大利潤輸出 160
5.2.1 物理模型 160
5.2.2 優化方法 162
5.2.3 特例分析 163
5.2.4 數值算例與討論 167
5.3 多庫內可逆商業機最大利潤輸出 174
5.3.1 物理模型 174
5.3.2 優化方法 175
5.3.3 數值算例與討論 178
5.4 本章小結 180
第6章 廣義機循環動態優化 182
6.1 引言 182
6.2 兩有限勢庫內可逆廣義機最大廣義輸出 182
6.2.1 物理模型 182
6.2.2 優化結果 184
6.2.3 應用 185
6.3 存在旁通流漏的有限勢庫廣義機最大廣義輸出 188
6.3.1 物理模型 188
6.3.2 優化結果 189
6.3.3 應用 190
6.4 多無限廣義勢庫內可逆廣義機最大廣義輸出率 193
6.4.1 物理模型 193
6.4.2 優化方法 193
6.4.3 應用 196
6.5 基于HJB理論的線性傳輸規律下多級廣義機系統最大廣義輸出率 198
6.5.1 物理模型 198
6.5.2 優化問題的HJB方程 201
6.5.3 應用 205
6.6 本章小結 209
第7章 全書總結 211
參考文獻 217
附錄A 最優化理論概述 239
A.1 引言 239
A.2 靜態優化 240
A.2.1 無約束函數極值優化 240
A.2.2 僅含等式約束函數極值優化 241
A.2.3 含不等式約束函數極值優化 242
A.3 動態優化 243
A.3.1 古典變分法 244
A.3.2 極小值原理 249
A.3.3 動態規劃 252
A.3.4 平均最優控制理論 258
A.4 附錄A小結 260
附錄B 第6章相關公式推導 261
B.1 6.2節中定理的證明 261
B.1.1 歐拉-拉格朗日方程方法 261
B.1.2 平均最優控制理論方法 262
B.2 6.3節中定理的證明 264
B.2.1 歐拉-拉格朗日方程方法 264
B.2.2 平均最優控制理論方法 265
附錄C 主要符號說明 267
Contents
Preface
Chapter 1 Introduction 1
1.1 Introduction 1
1.2 The dynamic-optimization status of engineering thermodynamic plants 2
1.2.1 Optimal expansion of a heated working fluid in the piston-cylinder system 2
1.2.2 Optimal piston motion paths of internal combustion engines 3
1.2.3 Optimal piston motion paths of light-driven engines 5
1.3 The dynamic-optimization status of commercial engine cycles 6
1.4 The main work and chapters’ arrangement of this book 7
Chapter 2 Optimal Expansion of a Heated Gas in the Piston-Cylinder System 9
2.1 Introduction 9
2.2 Optimal expansion of the heated gas with generalized radiative heat transfer law 10
2.2.1 Physical model 10
2.2.2 Optimization method 11
2.2.3 Analysis for special cases 13
2.2.4 Numerical examples and discussions 18
2.3 Application of the optimization results with the linear phenomenological heat transfer law 27
2.3.1 Process duration optimization 27
2.3.2 Power output optimization of an internal combustion engine 31
2.3.3 Power output optimization of an external combustion engine 40
2.4 Optimal expansion of the heated gas with generalized radiative heat transfer law and variable heat conductivity 44
2.4.1 Physical model 44
2.4.2 Optimization method 46
2.4.3 Analysis for special cases 49
2.4.4 Numerical examples and discussions 53
2.5 Chapter summary 67
Chapter 3 Optimal Piston Motion Paths of Internal Combustion Engines 70
3.1 Introduction 70
3.2 Maximum work output of Otto-cycle internal combustion engines with generalized radiative heat transfer law 70
3.2.1 Physical model 70
3.2.2 Piston motion path of conventional internal combustion engines 72
3.2.3 Optimization method 72
3.2.4 Analysis for special cases 77
3.2.5 Numerical examples and discussions 78
3.3 Maximum work output of Diesel-cycle internal combustion engines with generalized radiative heat transfer law 86
3.3.1 Physical model 86
3.3.2 Optimization method 87
3.3.3 Analysis for special cases 89
3.3.4 Numerical examples and discussions 90
3.4 Chapter summary 98
Chapter 4 Optimal Piston Motion Paths of Light-Driven Engines 99
4.1 Introduction 99
4.2 Maximum work output and minimum entropy generation of [A][B] type light-driven engines with generalized radiative heat transfer law 100
4.2.1 Physical model 100
4.2.2 Optimization method 103
4.2.3 Analysis for special cases 106
4.2.4 Numerical examples and discussions 109
4.3 Maximum ecological function of [A][B] type light-driven engines with generalized r