[發明專利]基于變換熱輻射和熱傳導理論設計的熱聚集器裝置

有效

• 申請號: 201910946027.2
• 申請日: 2019-10-01
• 公開（公告）號: CN110806022B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 黃吉平;須留鈞;戴高樂
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: F24S20/20
• 分類號: F24S20/20;F24S50/80;F24S70/10;F24S70/60
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

1.一種基于變換熱輻射和熱傳導理論設計的熱聚集器裝置，其特征在于，采用變換熱輻射方法，根據熱聚集的要求，將特定區域的空間進行壓縮變換，然后將空間壓縮等價為材料的變換，實現物理空間上局域的熱流增強，該局域即為熱聚集器；其中，所述熱流為輻射熱流和傳導熱流的總和；

其中：

所述的輻射熱流J_rad通過Rosseland擴散近似進行計算：

所述傳導熱流J_rad通過Fourier定律進行計算：

其中，β為Rosseland平均消光系數，n為相對折射率，σ為Stefan-Boltzmann常數，κ為材料熱導率；

所述將特定區域的空間進行壓縮變換，具體如下：

對于二維情況，從虛擬空間(r,θ)到物理空間(r′,θ′)的坐標變化如公式(2)所示：

其中，r₁和r₂分別是熱聚集器的內徑和外徑，r_m是介于r₁和r₂之間的一個值，稱為中徑；公式(2)的物理含義就是將一個半徑為r_m的圓形區域壓縮為一個半徑為r₁的圓形區域，然后將內外徑分別為r_m和r₂的環形區域伸展為內外徑分別為r₁和r₂的圓圍成的環形區域，即為熱聚集器；

公式(2)中坐標變換的Jacobian變換矩陣Λ為公式(3)和公式(4)所示：

對于三維情況，從虛擬空間到物理空間的坐標變化如公式(2-1)所示：

表示內、外徑分別為r₁和r₂的球面所圍的環形區域，即為熱聚集器；公式(2-1)中坐標變換的Jacobian變換矩陣Λ為公式(9)所示：

根據坐標變換，可以得到相應的材料參數；在熱輻射和熱傳導體系中，通過調節多個材料參數，達到熱聚集的效果；

具體調節材料參數的方式如下：

對折射率不做變換，即如公式(5)：

n′＝n, (5)

其中，n′為變換后的相對折射率；為此，對Rosseland平均消光系數β做變換，變換后的Rosseland平均消光系數β′由公式(6)決定：

同時，對熱導率κ進行變換，變換后的熱導率κ′由公式(7)決定：

最后，需要對密度和熱容ρC進行變換，變換后的密度和熱容(ρC)′由公式(8)決定：

其中，detΛ為Λ的行列式，Λ^τ為Λ的轉置。

2.根據權利要求1所述的熱聚集器裝置，其特征在于，采用兩種材料以扇形交替排列成多層結構，等效地實現熱聚集；具體為，設材料A的屬性為：消光系數β_A,熱導率κ_A；材料B的屬性為：消光系數β_B,熱導率κ_B；此兩種材料滿足：β_Aβ_B＝β²且κ_Aκ_B＝κ²，其中，β和κ為背景的消光系數和熱導率；兩種材料以扇形交替排列成層狀結構，層數為120-360；由此利用兩種均勻各向同性的材料實現各向異性的功能。