[發(fā)明專利]基于變換熱輻射和熱傳導(dǎo)理論設(shè)計(jì)的熱隱身斗篷

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910946019.8
• 申請(qǐng)日: 2019-10-01
• 公開（公告）號(hào): CN110826265B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃吉平;須留鈞;戴高樂(lè)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G16C60/00;G06F119/08
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發(fā)明屬于能源技術(shù)和紅外技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于變換熱輻射和熱傳導(dǎo)理論設(shè)計(jì)的熱隱身斗篷。本發(fā)明設(shè)計(jì)的熱隱身斗篷，采用坐標(biāo)變換方法，建立空間變化和材料變化之間的聯(lián)系，即通過(guò)坐標(biāo)變化將一個(gè)圓形區(qū)域從圓心壓縮成一個(gè)環(huán)形區(qū)域，進(jìn)而將空間的變化轉(zhuǎn)換為材料的變化，確定熱隱身斗篷的材料參數(shù)，得到隱身斗篷；其中能夠同時(shí)調(diào)控?zé)醾鲗?dǎo)和熱輻射，實(shí)現(xiàn)熱隱身功能；所述熱輻射通過(guò)Rosseland擴(kuò)散近似處理，熱傳導(dǎo)通過(guò)Fourier定律處理。通過(guò)有限元模擬驗(yàn)證了本發(fā)明設(shè)計(jì)的可行性。本發(fā)明為調(diào)控?zé)彷椛涮峁┝艘环N全新的方案，可用于欺騙紅外探測(cè)、熱防護(hù)等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于能源和紅外技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于變換熱輻射和熱傳導(dǎo)理論設(shè)計(jì)的熱隱身斗篷。

背景技術(shù)

熱能輸運(yùn)主要有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。針對(duì)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，過(guò)去十年中已經(jīng)發(fā)展出了相應(yīng)的變換理論來(lái)控制熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，但是針對(duì)熱輻射的變換理論遲遲沒有被提出。這大大限制了實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)槿魏螠囟炔粸榱愕奈矬w都會(huì)發(fā)出熱輻射?？梢哉f(shuō)，人類生活中處處存在熱輻射：夜視儀的工作原理就是探測(cè)熱輻射；軍事對(duì)抗中也會(huì)利用到熱輻射，因此如果能夠自由調(diào)控?zé)彷椛?，那將?huì)大大促進(jìn)在這些領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱輻射的自由調(diào)控并促進(jìn)實(shí)際應(yīng)用，本專利提出了利用坐標(biāo)變換的方法實(shí)現(xiàn)熱隱身斗篷。熱隱身斗篷能夠使得內(nèi)部的物體不影響斗篷外部的溫度分布，就好像中間的物體不存在一樣。但是，以往的熱隱身斗篷都是基于熱傳導(dǎo)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，對(duì)熱輻射缺乏調(diào)控的能力，本發(fā)明專利就是要解決這個(gè)問(wèn)題，將變換理論從單純的熱傳導(dǎo)拓展到熱輻射，進(jìn)而設(shè)計(jì)出能夠處理熱輻射問(wèn)題的熱隱身斗篷。這對(duì)高溫?zé)岱雷o(hù)領(lǐng)域有著重要的作用。這是因?yàn)樵诟邷叵?，熱輻射是主要的熱能輸運(yùn)方式，所以如果不考慮熱輻射效應(yīng)而只考慮熱傳導(dǎo)效應(yīng)的器件在高溫下就會(huì)失效，從而失去熱防護(hù)的能力。本技術(shù)提出的方案，能夠同時(shí)處理針對(duì)熱傳導(dǎo)和熱輻射的熱防護(hù)問(wèn)題，因此對(duì)實(shí)際應(yīng)用有著重要作用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于變換熱輻射和熱傳導(dǎo)理論設(shè)計(jì)的熱隱身斗篷，使放在其中的任何物體都不會(huì)被外部紅外探測(cè)所發(fā)現(xiàn)。

本發(fā)明提出的基于變換熱輻射和熱傳導(dǎo)理論設(shè)計(jì)的熱隱身斗篷，是采用坐標(biāo)變換方法，建立空間變化和材料變化之間的聯(lián)系，即通過(guò)坐標(biāo)變化將一個(gè)圓形區(qū)域從圓心壓縮成一個(gè)環(huán)形區(qū)域，進(jìn)而將空間的變化轉(zhuǎn)換為材料的變化，確定熱隱身斗篷的材料參數(shù)，得到隱身斗篷，實(shí)現(xiàn)熱隱身功能--放在其中的任何物體都不會(huì)被外部紅外探測(cè)所發(fā)現(xiàn)。

本發(fā)明中，基于坐標(biāo)變換理論，能夠同時(shí)調(diào)控?zé)醾鲗?dǎo)和熱輻射，實(shí)現(xiàn)熱隱身功能。

本發(fā)明中，所述熱輻射通過(guò)Rosseland擴(kuò)散近似處理，熱傳導(dǎo)通過(guò)Fourier定律處理。

本發(fā)明提供的熱隱身斗篷，可以適用于二維情形，也適用于三維情形；可以適用于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)情形，也適用于瞬態(tài)熱傳導(dǎo)情形。

下面進(jìn)一步推導(dǎo)熱隱身斗篷實(shí)現(xiàn)熱隱身的條件：

考慮熱輻射和熱傳導(dǎo)的瞬態(tài)熱輸運(yùn)過(guò)程，它的熱力學(xué)演化過(guò)程由以下公式(1)決定：

其中，ρ和C分別表示材料的密度和熱容，T代表溫度，t代表時(shí)間，為拉普拉斯算子。J_rad為輻射熱流，由Rosseland擴(kuò)散近似給出公式(2)：

其中，β為Rosseland平均消光系數(shù)，n為相對(duì)折射率，σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)(其值等于5.67×10^-8Wm^-2K^-4)。J_con為傳導(dǎo)熱流，由Fourier定律給出公式(3)：

其中，κ為材料熱導(dǎo)率。