[發明專利]基于變換熱輻射和熱傳導理論設計的熱旋轉器裝置

有效

• 申請號: 201910947225.0
• 申請日: 2019-10-01
• 公開（公告）號: CN110826266B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 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: G06F30/23
• 分類號: 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

1.一種基于變換熱輻射和熱傳導理論設計的熱旋轉器，其特征在于，采用變換熱輻射方法，將空間的變換轉換為材料的變換，并通過對特定的區域進行旋轉變換，再將空間的變換等價為材料的變換，得到熱旋轉器即特定的區域的材料參數，由此得到熱旋轉器；該熱旋轉器，能夠改變特定區域的熱流方向，這里的熱流為傳導熱流和輻射熱流的總和；

所述的傳導熱流J_con，由Fourier定律給出：

所述的輻射熱流J_rad，由Rosseland擴散近似給出：

其中，κ為材料熱導率，β為Rosseland平均消光系數，n為相對折射率，σ為Stefan-Boltzmann常數,ρ和C分別表示材料的密度和熱容，T代表溫度，t代表時間；

所述的將空間的變換轉換為材料的變換，具體如下：

對于二維的情況，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分別是熱旋轉器的內徑和外徑；即熱旋轉器是半徑為r₁和r₂的圓所圍成的區域；公式(2)的物理含義就是將一個半徑為r₁的圓形區域旋轉了θ₀角度；

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：

這里變換的是角度r₁和r₂分別是熱旋轉器的內徑和外徑，即熱旋轉器是半徑為r₁和r₂的球面所圍成的區域；

公式(2-1)的Jacobian變換矩陣Λ，為公式(9)所示：

得到Jacobian變換矩陣之后，就可以得到相應的材料參數；在熱輻射和熱傳導體系中，通過調節材料參數，達到熱旋轉的效果；

所述再將空間的變換等價為材料的變換，具體如下：

對折射率n不做變換，即有公式(5)：

n′＝n,?????????(5)

其中，n′為變換后的相對折射率；

對于Rosseland平均消光系數β進行變換，變換后的Rosseland平均消光系數β′由公式(6)決定：

其中，detΛ為Λ的行列式，Λ^τ為Λ的轉置；

同時，對密度ρ和熱容C進行變換，變換后的密度和熱容(ρC)′由公式(7)決定

對熱導率κ進行變換，變換后的熱導率κ′由公式(8)決定：

2.根據權利要求1所述的熱旋轉器，其特征在于，采用兩種材料交替排列成多層結構，等效地實現熱旋轉的效果；具體為，假設兩種材料的屬性分別為：消光系數β_A,熱導率κ_A；消光系數β_B,熱導率κ_B；此兩種材料需要滿足：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；兩種材料以等角螺線形狀交替排列成層狀結構，即可利用兩種均勻各向同性的材料實現各向異性的功能。