[发明专利]一种针对热辐射的热透明装置

说明书

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。

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)：