[发明专利]一种针对热辐射的热隐身斗篷

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隐身斗篷。本发明热隐身斗篷为壳层结构，该壳层内部的物体无法被壳层外部的红外探测发现，就好像中间的物体不存在一样；本发明用Rosseland扩散近似处理热辐射问题，热传导部分依旧由传统的傅里叶定律描述。热隐身斗篷由绝热层和补偿层构成，通过设计补偿层的Rosseland平均消光系数和热导率，可以同时实现室温和高温情形下的热隐身效果。本发明经过理论分析和有限元模拟验证，可用于热辐射防护等领域。

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隐身斗篷。

背景技术

热隐身斗篷在热防护领域有着重要的意义，该装置能够保护中间的物体不被外部的红外探测所发现。已有的热隐身斗篷都是基于傅里叶热传导定律来进行设计的。但是，除了热传导以外，热能输运还存在着其他两种方式：热对流和热辐射。尤其是在高温条件下，根据斯特芬-玻尔兹曼定律可知，功率密度是随着温度的四次方增长的。由此，在高温条件下原有的基于纯粹的热传导的热隐身斗篷就不再适用，因为热辐射的效果已经变得不可忽略，必须要对热辐射进行调控。

为了解决这一问题，本发明考虑了热辐射的影响，并且考虑了在Rosseland扩散近似条件下的热辐射行为。该发明提出了一套有效介质理论可以处理热辐射相关的问题。通过这个理论，可以设计材料的等效热导率和Rosseland平均消光系数，甚至可以考虑几何各向异性的材料。进一步，该装置经过有限元模拟验证，结果表明：热隐身斗篷在稳态和非稳态下都表现良好。本发明解决了传统热隐身斗篷的缺陷，将它的功能推广至热辐射领域，对控制热辐射具有深远的价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单、隐身效果优异的针对热辐射的热隐身斗篷。

本发明提供的针对热辐射的热隐身斗篷，为壳层结构，该壳层内部的物体无法被壳层外部的红外探测发现，就好像中间的物体不存在一样。这种效果无论是在室温下热传导为主、还是高温条件下热辐射为主，都能发挥作用。

本发明提供的针对热辐射的热隐身斗篷，其中热导率可以调控热传导过程，Rosseland平均消光系数可以调控热辐射过程，通过设计壳层的热导率和Rosseland平均消光系数，使得壳层结构的等效参数和背景相同，从而抹去物体对背景产生的影响，使热隐身斗篷实现热隐身的要求。

本发明同时适用于二维和三维。

本发明中，需要计算壳层的等效热导率和等效Rosseland平均消光系数，它们分别由傅里叶定律和Rosseland扩散近似理论描述，具体如下：

假设在物体外部包裹一层绝热材料，由于绝热的原因，热流无法进入内部，这样物体和绝热层可以等效地认为是一个绝热的核。核的热导率为0，相对折射率为1，Rosseland平均消光系数为无穷大。为了消除绝热层对背景温度分布的影响，另外需要在绝热层外部再加上一个壳层作为补偿层：设这个壳层的热导率为κ_s，相对折射率为n_s，Rosseland平均消光系数为β_s。考虑一个几何各向异性的情况，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。这样，绝热层和补偿层组成了椭球形的热隐身斗篷，图1展示的是椭球形热隐身斗篷的截面图，即一个椭圆截面。对于这样一个椭球核壳结构的等效热导率可以由下式(1)计算：

而核壳结构的等效辐射参数可以由下式(2)计算：