阅读说明：本技术 一种针对热辐射的热透明装置 (Thermal transparent device for thermal radiation ) 是由 黄吉平 须留钧 于 2019-08-15 设计创作，主要内容包括：本发明属于热力学技术领域,具体为一种针对热辐射的热透明装置。本发明热透明装置为核壳结构,该核壳结构的存在不影响壳层外部的温度分布,好像核壳结构根本不存在一样,具有热透明的效果。本发明涉及的热输运过程包含热传导和热辐射两个部分,分别采用傅里叶定律和Rosseland扩散近似所描述。本发明通过设计材料的热导率和Rosseland平均消光系数,可实现室温和高温的热透明现象。本发明经过理论分析和有限元模拟验证热透明装置的可行性。本发明为实现高温条件辐射主导的热透明装置提供了有效的方案,具有广阔应用前景,比如,可用于欺骗红外探测、热辐射防护等。(The invention belongs to the technical field of thermodynamics, and particularly relates to a thermal transparent device aiming at thermal radiation. The thermal transparent device is of a core-shell structure, the temperature distribution outside the shell layer is not influenced by the core-shell structure, and the thermal transparent device has the thermal transparent effect as if the core-shell structure does not exist at all. The heat transport process involved in the present invention comprises two parts, heat conduction and heat radiation, described by fourier law and Rosseland diffusion approximation respectively. According to the invention, the thermal transparency phenomenon at room temperature and high temperature can be realized by designing the thermal conductivity and the Rosseland average extinction coefficient of the material. The feasibility of the thermal transparency device is verified through theoretical analysis and finite element simulation. The invention provides an effective scheme for realizing the heat transparent device with radiation dominance under high temperature condition, and has wide application prospect, for example, the invention can be used for deception infrared detection, heat radiation protection and the like.)

一种针对热辐射的热透明装置

技术领域

本发明属于热力学技术领域，具体涉及针对热辐射的热透明装置。

背景技术

在已有的器件设计中，绝大多数热学超材料几乎都是设计在室温下工作的，热传导是热输运的主要方式。然而，随着温度的升高，热辐射变得不可忽视，因此这些热学超材料再也不能正常工作。现有的器件无法处理热辐射问题，这在很大程度上限制了很多器件在高温下的实际应用，比如热防护。

为了解决这一问题，本发明提出了一种有效介质理论，其中热辐射的处理是基于Rosseland扩散近似。这个理论有助于设计热透明辐射超材料，甚至可以考虑各向异性的几何形状。理论分析进一步得到有限元分析的证实。仿真结果表明，热透明装置在稳态和非稳态下都表现良好。本发明不仅为控制热辐射提供了一种有效的介质理论，还设计了热透明装置。这些结果在热辐射调控方面有应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单、热透明效果优异的热透明装置

本发明提出的热透明装置，是针对热辐射的，具体为一个核壳结构，该核壳结构的存在不影响壳层外部的温度分布，无论是室温还是高温条件，好像核壳结构根本不存在一样，具有热透明的效果。

本发明提供的针对热辐射的热透明装置，涉及的热输运过程包含热传导和热辐射两个部分，分别采用傅里叶定律和Rosseland扩散近似所描述。在室温条件下，热传导为主要热输运过程；但在上千开尔文的高温条件下，热辐射成为主导过程。本发明重点考虑在高温条件下辐射主导的热透明装置的实现。

本发明通过设计核壳结构的热导率和Rosseland平均消光系数这两个关键参量，使得核壳结构的等效参数和背景相同，从而消除核壳结构对于背景的影响，这样便可以达到热透明的目的。

本发明同时适用于二维和三维。

本发明提供的针对热辐射的热透明装置，涉及计算核壳结构的等效性质，其基本规律由傅里叶定律和Rosseland扩散近似描述，具体说明如下：

对于一个核壳结构，设核的热导率为κ_c，相对折射率为n_c，Rosseland平均消光系数为β_c；壳层的热导率为κ_s，相对折射率为n_s，Rosseland平均消光系数为β_s。考虑几何各项异性的情况，设核的三条半轴长分别为λ_c1、λ_c2、λ_c3；壳层的三条半轴长分别为λ_s1、λ_s2、λ_s3。对于这样一个核壳结构的等效热导率满足如下关系式(1)：

而核壳结构的等效辐射参数满足如下关系式(2)：

其中，γ＝n²/β可视为辐射参数，(即γ_s＝n_s ²/β_s，γ_c＝n_c ²/β_c)；f＝λ_c1λ_c2λ_c3/λ_s1λ_s2λ_s3是核的体积分数，d_ci和d_si分别为核壳在i＝1,2,3方向的形状因子，为简化起见，把d_ci和d_si统一表示为d_i，可以由下式计算得到：

其中，λ₁、λ₂、λ₃分别为椭球在三个方向上的半轴长；当λ₁、λ₂、λ₃分别为核的三条半轴长λ_c1、λ_c2、λ_c3时，d_i为d_ci；当λ₁、λ₂、λ₃分别为壳的三条半轴长λ_s1、λ_s2、λ_s3时，d_i为d_si；d为微分符号、a为积分参数(从0到∞积分)。这是核壳结构为三维时等效参数计算方法，当然该方法也可直接退化到二维情形，只需要假设椭球的第三个轴长度趋于无穷大，即：λ₃＝∞时，退化到二维情形；这时公式(3)所描述的形状因子可以简化为：

通过公式(1)和(2)，可以计算核壳结构的等效热导率和等效辐射参数，将这两个参数与背景参数进行匹配，就可以得到热透明的效果。

上述主要是稳态下的热透明情形，对于非稳态下的热透明，进一步考虑材料的热扩散系数，且即每个区域(包括核、壳层、背景)的热扩散系数相同，并经过优化处理，确定优化值；这里热扩散系数数值上等于热导率(κ)除以热容密度积(ρc)。

本发明的优点：

(1)本发明可以解决Roseeland扩散近似下的热辐射问题；

(2)本发明结构和参数简单，同时适用于稳态和非稳态过程；

(3)本发明可适用几何各向异性的。

本发明具有广阔应用前景，比如，可用于欺骗红外探测、热辐射防护等。

附图说明

图1是核壳结构示意图。

图2是热透明稳态模拟结果。模拟尺寸为10×10cm²，所有区域的相对折射率为1，背景热导率为1Wm^-1K^-1，Rosseland平均消光系数为100m^-1。模拟采用了三种温度分布：273～313K，此温度区间热传导远大于热辐射效应；273～673K，此温度区间热传导远和热辐射效应相当；273～4273K，此温度区间热传导远小于热辐射效应。其中(a)-(c)中核的半径为2cm；热导率为2Wm^-1K^-1，Rosseland平均消光系数为50m^-1；壳层的半径为3cm；热导率为0.62Wm^-1K^-1，Rosseland平均消光系数为161.1m^-1。(d)-(f)中核的半轴尺寸为2.5、1.25cm；热导率为0.5Wm^-1K^-1，Rosseland平均消光系数为200m^-1；壳层的半轴尺寸为3、2.08cm；热导率为1.61Wm^-1K^-1，Rosseland平均消光系数为62m^-1。(d)-(f)展示的是参考温度分布，即用背景材料填充在原来的核壳结构区域。其中虚线圆和椭圆展示了核壳结构的位置，是为了方便和第一列与第二列中的模拟作比较

图3是热透明瞬态模拟结果。参数与图二(e)中的完全一样，但是需要额外考虑材料的密度和热容。其中背景的热容密度积为10⁶Jm^-3K^-1，核的热容密度积为5×10⁵Jm^-3K^-1，壳层的热容密度积为1.61×10⁶Jm^-3K^-1。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

图1展示了核壳结构的示意图。通过公式(1)和(2)设计核壳的参数，使之与背景参数相匹配，就能实现热透明的功能。该理论可以处理几何各向异性的椭球/椭圆问题，但是需要核壳结构是共焦的(对于圆核壳结构来说需要同心的)。

图2中展示了热透明的稳态模拟图。模拟采用的是商业软件COMSOLMULTIPHYSICS。为了体现热辐射在热输运过程中的作用，我们采取了三种温度分布。根据斯特芬-玻尔兹曼定律可知：辐射功率是与温度的四次方成正比的。所以当温度逐渐升高时，热辐射的作用会激增。所以采取的温度分布为：273～313K,其中热传导是主要输运方式；273～673K,其中热辐射已经和热传导的贡献相当；273～4273K,其中热辐射已经成为了主导的热输运方式。观察图2第一列和第二列中核壳结构外面的温度分布，它们和最后一列中相应的虚线外部的分布完全一模一样。这就说明核壳结构对背景的温度分布没有产生任何影响，就好像核壳结构压根不存在一样，这样就实现了热透明的效果。从模拟结果可以看出，从完全由热传导主导的室温区域，到几乎由热辐射主导的高温区域，热透明装置都能非常好的进行工作。

以上是热透明的稳态模拟结果，但是本发明不仅限于此，热透明装置同样适用于非稳态。为此，需要额外考虑两个参数，即材料的热容和密度。为了方便讨论，定义一个新的物理量，即：热扩散系数，数值上等于热导率(κ)除以热容密度积(ρc)。在稳态的设计中，根据公式(1)和(2)设计了材料的热导率和辐射参数。在非稳态的情况下，除了需要满足公式(1)和(2)的原有要求，还需要满足另外一个条件，即确保每个区域(核、壳层、背景)的热扩散系数相同。为此，需要特意设计热容密度积。在确保了每个区域的热扩散系数相同之后，进行了有限元模拟。在已有的参数下，体系大约需要60分钟达到最后的稳态。图3分别展示了体系在10、20、60分钟下的温度分布，观察背景的温度分布可以发现：等温线基本都是直的。这说明热透明装置同样可以在非稳态下工作。