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最优有限时间布朗卡诺发动机
胶体系统实验控制的最新进展推动了中尺度热力学装置生产的革命。功能性“教科书”发动机，如斯特林循环和卡诺循环，已在远离平衡的胶体系统中生产出来。同时，此类装置的设计和分析也取得了重大的理论进展。在这里，我们使用热力学几何方法来表征与时变热浴接触的参数谐振子的最佳有限时间非平衡循环操作，特别关注布朗卡诺循环。我们推导出最佳参数化的卡诺循环以及另外两个新循环，并将它们耗散的能量、效率和稳态功率产生相互比较，并与之前测试过的卡诺循环实验方案进行比较。我们证明了，与之前实验测试的方案相比，我们的一款发动机的耗散能量提高了 20%，在其他条件下提高了 ∼ 50%，而我们的最终发动机比我们考虑过的其他发动机更高效、更强大。我们的结果为通过实验实现最佳中尺度热机提供了手段。
LNG 船舶可再生能源混合发电状态转换逻辑设计
摘要：就能源生产和消耗而言，船舶是独立且孤立的电力系统，其能源需求与电力需求的类型和种类以及船舶类型（客船或商船）有关。船舶上的电力供应传统上基于发动机热发电机，其使用化石燃料、柴油或天然气。由于船舶热发电机的持续运行，最终会增加对环境的污染气体排放，主要是二氧化碳。可再生能源 (RES) 与传统船舶热机的结合可以减少二氧化碳排放，从而实现船舶与环境之间的“更绿色”互动。由于船舶运行的电力需求各不相同，考虑到长距离航行和入港期间负载需求的不同性质，必须评估 RES 的使用。本文提出了一种新的控制方法，以平衡 LNG 船舶负载需求和 RES 发电，该方法基于实际条件下的精确模型和解决方案。能源管理系统 (EMS) 是使用状态转换的逻辑设计在有限状态机结构中设计和实现的。结果证明，减少化石燃料的消耗是可行的，而且如果与可再生能源相结合，可以减少二氧化碳的排放。
激光折弯是利用激光束照射板材表面，使板材弯曲的工艺
{ Times New Roman，11 分 } 激光折弯是通过激光束照射板材表面来弯曲板材的工艺 [1]。这是一种热机械工艺，适用于快速成型和变形低延展性材料。该工艺在航空航天、造船、微电子、汽车工业等领域具有多种潜在应用。它是一种快速、灵活且低成本的金属成型工艺，可以提高这些行业的竞争力。该工艺还提供了很大的灵活性，因为许多其他应用（如焊接、钎焊和硬化）可以通过同一设备执行。该领域已经发表了多篇理论和实验论文，其中更多的研究集中在激光束直线弯曲上。这些工作的最终目标是了解该过程的物理原理并建立各种预测弯曲角度的模型。本文简要回顾了这些工作以及用于分析的不同方法。基于此，本文利用 ABAQUS 程序包进行有限元分析，预测特定钢板材料的温度分布和弯曲角度，并将结果与作者开发的简单分析模型进行比较。从文献中的实验结果可以确定，所提出的理论模型可以相当好地预测弯曲角度。还表明，所开发的模型可用于快速估算激光弯曲过程中材料的屈服应力。
布雷顿泵热储能系统的热力学性能：内部和外部不可逆性的影响
摘要：提出了一种泵送式热能存储系统的模型。它基于布雷顿循环，依次作为热泵和热机工作。考虑了实际工厂中预期的所有主要不可逆性来源：工作流体和热库之间的热传递引起的外部损失、压力衰减引起的内部损失以及涡轮机械中的损失。数值分析考虑的温度适用于固体热库，例如填料床。特别强调了导致物理上可接受的配置的参数和变量的组合。获得并分析了效率的最大值，包括往返效率，并提供了最佳设计间隔。预测往返效率约为 0.4，甚至更大。分析表明，耦合系统可以运行的物理区域在很大程度上取决于不可逆性参数。这样，功率输出、效率、往返效率和泵送热量的最大值可能位于物理区域之外。在这种情况下，考虑上限值。这些最大值的敏感性分析表明，膨胀机/涡轮机的变化和压缩机的效率对选定的设计点影响最大。对于膨胀机来说，这些下降主要是由于物理操作区域面积的减小。
已发表版本的引用（APA）：Takahashi, M., Jørgensen, JK, Jørgensen, AB, Munk-Nielsen, S., & Uhrenfeldt, C. (2023)。热循环失败
摘要 — 如果可以在 3D 模型上评估模块的结构弱点，则无需物理原型即可对电源模块进行可靠性结构优化。在本研究中，研究了 3D 热应力模拟作为中压电源模块热循环测试 (HCT) 故障点的预测工具。该模块具有两种不同陶瓷（Al2O3 和 AlN）的多层结构，以减少寄生电容。在这个结构复杂的模块中，实际测试样品的故障点与 3D 模拟中的热机械应力的弱点相重合。热循环测试（125/-40°C）用于模拟和测试。模块的故障点主要是 HCT 100 次循环后铜从 AlN 基板表面剥离。剥离位置与模拟中的点相匹配，模拟结果具有两个特征，即高剥离应力点和铜图案的高形状变形。这一观察结果适用于仅与陶瓷连接的铜图案，而与其他相邻层连接的铜图案则不遵循这一趋势。索引术语 —10kV SiC-MOSFET 功率模块、热循环、3D 建模、有限元方法、热机械应力
Ruobing Bai
1. Y. Wang, Z. Wei, T. Ji, R. Bai, H. Zhu，“用于柔性固态超级电容器的高离子导电、可拉伸和坚韧的离子凝胶”。Small，2023 年。2. D. Cao, T. Ji, Z. Wei, W. Liang, R. Bai, KS Burch, M. Geiwitz, H. Zhu，“通过自调节内部压力提高无阳极固态电池的锂剥离效率”。Nano Letters，2023 年。3. Z. Wei, P. Wang, R. Bai，“多畴液晶弹性体中的热机耦合”。应用力学杂志，2024 年。4. Y. Xiao, Q. Li, X. Yao, R. Bai, W. Hong, C. Yang，“具有动态共价键的非晶态水凝胶的疲劳”。 Extreme Mechanics Letters，2022 年。5. Z. Wei、R. Bai，“光活性液晶弹性体的温度调节光机械驱动”，Extreme Mechanics Letters，2022 年。6. R. Bai、E. Ocegueda、K. Bhattacharya，“光活性半结晶聚合物中的光化学诱导相变”。Physical Review E，2021 年。
![arXiv:2207.09272v1 [quant-ph] 2022 年 7 月 19 日](/simg/1\16313b8bb3429bb9f3c4a48c5512d6d454f255a5.webp)
arXiv:2207.09272v1 [quant-ph] 2022 年 7 月 19 日
热机通常通过与不同（正）温度的热浴交换热量来运行。然而，非热浴可能会显著提高性能。我们在这里通过实验分析了单原子量子奥托发动机的功率输出，该发动机是在单个铯原子的准自旋态与原子铷浴相互作用时实现的。通过测量准自旋态的时间分辨布居，我们确定了发动机有效自旋温度和量子涨落循环过程中的动态，并借助香农熵对其进行了量化。我们发现，在负温度范围内功率会增强，并且在最大熵的一半时达到最大值。从定量上讲，与在正温度下运行相比，在负有效温度下运行我们的发动机可将功率提高高达 30%，甚至在无限温度下也是如此。同时，进入负温度区可以将熵降低到接近零的值，从而在高功率输出下提供高度稳定的运行。此外，我们通过改变工作介质的能级数，以数值方式研究了希尔伯特空间的大小对量子引擎性能的影响。我们的工作为高功率和高效单原子量子引擎运行中的波动控制铺平了道路。
瞬态条件下卡诺电池的热经济性优化
摘要：随着能源部门脱碳的努力，电力需求不断增长，其中大部分将由碳中和未来的可再生能源提供。为了平衡大多数可再生能源固有的可变性，需要某种形式的能源储存。在本文中，简要回顾了当前的系统，特别关注卡诺电池，其运行特性、长寿命和低环境足迹使其在日常能源储存方面具有竞争力。开发了一个瞬态模型来模拟卡诺电池的完整运行，该电池由蒸汽压缩热泵和有机朗肯循环以及显热储存组成。确定了关键性能参数，并通过平衡 25 种存储温度范围和热交换器夹点配置的成本和性能进行了帕累托优化。结论是，更宽的存储范围和更高的夹点可以降低成本，因为它们会减小水箱和热交换器的尺寸，并降低效率，因为会为热泵和热机产生不利的温度梯度。确定了一个帕累托前沿，它由 10 种配置组成，这些配置可以优化一个标准，或者平衡两个或多个标准，并得出关于每种配置适用性的结论。
采用可逆热泵/有机朗肯循环的热集成卡诺电池的实验研究：系统充电对可逆涡旋压缩机/膨胀机性能和整体性能的影响
摘要 卡诺电池被认为是一种有前途的适用于中型和大型应用的电-热-电存储技术。最近，有人提出在卡诺电池中使用两用热机。在这样的系统中，单个装置在充电期间充当热泵（HP，压缩机操作）或在放电期间充当有机朗肯循环（ORC，膨胀机操作）。与使用两台独立机器的传统卡诺电池相比，这种配置降低了该技术的投资成本。已经在小型（1 kW el）卡诺电池中试工厂使用单个涡旋压缩机/膨胀机进行了实验活动。在充电和放电模式下都测试了广泛的操作条件。讨论了系统电荷对两种操作模式下可获得工作点的影响。研究发现，在 HP 模式下运行系统所需的系统电荷低于 ORC 模式。在这些低电荷下，增加 HP 模式下的电荷对系统在较高源温和散热器温度下的性能有积极影响。在 ORC 模式的较高电荷下，发现增加系统电荷对研究的运行范围内的系统启动有积极影响。除了定性讨论外，还对系统和涡旋机进行了定量研究。
多尺度统计和量子物理学（...
多尺度统计和量子物理 (MSP) 小组 - 有关该小组的更多信息，请访问 https://qtf.fi/research MSP 小组是芬兰量子技术卓越中心的一部分，我们正在寻找有上进心和才华的学生加入我们，参加 2024 年的暑期研究。我们为学士和硕士生提供多个项目。我们希望学生对量子物理、统计力学和热力学有所了解。了解一种或多种数值工具（如 Mathematica、MATLAB/Python）是一种优势，但不是必需的。根据学生的背景、经验和兴趣，我们可以在物理学和应用数学的不同子领域提供几种类型的项目。开放量子系统的热力学（导师 Jishad Kumar 博士）量子物理学的最新技术进步可以轻松地在实验室中实现纳米机电系统、量子点（或量子阱）、纳米热机或冰箱。当系统尺寸相当小（例如纳米或中观系统）时，将它们与周围环境隔离是不可能的。这意味着小系统（或其中的一部分）与其环境有显著的耦合。经典开放系统的正则状态仍然是吉布斯状态，因为与系统相当大的热能相比，耦合能量很容易被忽略。然而，在极低的温度下，特别是当量子效应占主导地位时，这种耦合能量是不能被忽略的。这可能会引发人们对已知热力学定律的有效性以及如何在这种情况下定义热力学量的质疑。