[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

本發明屬于能源和紅外技術領域，具體為基于變換熱輻射和熱傳導理論設計的熱旋轉器裝置。本發明的熱旋轉器裝置，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，由Fourier定律給出，輻射熱流由Rosseland擴散近似給出。本發明為調控熱輻射提供了一種新方案，可用于通過熱流旋轉實現廢熱的回收再利用。

技術領域

本發明屬于能源和紅外技術領域，具體涉及一種能夠改變局域熱流方向的裝置，尤其涉及基于變換熱輻射和熱傳導理論設計的熱旋轉器裝置。

背景技術

變換光學的提出為材料科學提供了一種全新的設計思路，即：將空間的變換等價為材料的變換。2008年，研究者將變換光學理論拓展至熱傳導領域中，拉開了熱學超材料的序幕。經過十多年的發展，變換理論已經從熱傳導延伸至熱對流。作為三種熱能輸運方式之一的熱輻射，它的重要性已經展示在了生活中的方方面面，比如：太陽能利用。但可惜的是一直沒有提出相應的變換理論來調控熱輻射，這大大限制了熱學超構材料在熱輻射領域的發展。

本發明提出一種新的方法來調控熱輻射，即：變換熱輻射理論。通過將特定區域的空間進行旋轉變換，就能夠改變局域熱流的方向，故稱該器件為熱旋轉器。與已有的熱旋轉器不同的是，本發明設計的器件考慮了熱輻射的影響，因此可以同時處理熱傳導和熱輻射問題。對利用太陽能熱輻射有著重要的作用，比如可以實現廢熱的回收再利用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠同時處理熱傳導和熱輻射、實現熱旋轉的熱旋轉器。

本發明提供的熱旋轉器，是基于變換熱輻射和熱傳導理論設計的；所謂熱旋轉器，就是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；其中輻射熱流可以通過Rosseland擴散近似來進行計算，傳導熱流可以通過Fourier定律來進行計算。

本發明提供的熱旋轉器，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，得到熱旋轉器的材料參數，由此實現熱旋轉。

本發明提供的熱旋轉器，可以處理二維問題，也可以處理三維問題；可以適用于穩態情形，也適用于瞬態情形。

下面進一步推導熱旋轉器實現熱旋轉的條件：

本發明既考慮了熱輻射問題，也考慮了熱傳導問題。對于一個瞬態過程，溫度隨時間和空間的演化由以下公式(1)決定：

其中，括號內第一項為傳導熱流J_con，Fourier定律給出：

括號內第二項為輻射熱流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,取值為5.67×10^-8Wm^-2K^-4。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。

變換熱輻射理論不局限于空間的維度。為了討論的方便，首先討論二維的情況。對于一個從虛擬空間(r,θ)到物理空間(r′,θ′)的坐標變化，如公式(2)所示：