[发明专利]一种基于等效热偶极子的热幻像装置

说明书

本发明属于热力学技术领域，具体为一种基于等效热偶极子的热幻像装置。本发明热幻像装置包括两个不同的颗粒系统，在两个不同的颗粒系统中具有相同的热学效应即温度分布，使红外热像仪探测中不能分辨出这两个不同的系统，从而实现热幻像。本发明中，每个颗粒看作一个等效热偶极子，通过求和得到全部颗粒的宏观等效热偶极矩；然后,设计两个不同的系统，使它们具有相同的宏观等效热偶极矩，由此可以得到热幻像的效果。相比于以往的核壳装置，本装置只需要进行一次计算，有助于提高效率、扩大应用。经理论分析、有限元模拟和实验，都验证了本装置的可行性。本发明为实现多颗粒的热幻像提供了一种有效的方案，具有广阔应用前景，比如可用于欺骗红外探测、操纵热流等。

技术领域

本发明属于热力学技术领域，具体涉及提出了一种基于等效热偶极子的热幻像装置。

背景技术

过去十年见证了热学超材料的飞速发展。最近，热幻像装置由于其广泛的军事工业用途而引起了广泛的研究兴趣。相关的方案大多是基于核壳结构，即：设计一个特殊的壳层来伪装中心的内核。尽管核壳结构在处理单颗粒问题时非常好，但是它在处理多颗粒问题时显得无能为力。换句话说，如果有N个颗粒需要伪装，就需要N次计算来设计N个特定的壳层。这种方案是极其低效的。

为了解决这个问题，我们不能局限于核壳方案，只注重单个颗粒的局部效果。相反，我们更关注N个颗粒的宏观效应。但是，由于热导率不能直接相加或相减，接下来的问题是如何处理N个颗粒的宏观效应。受到静电学的启发，我们把每个颗粒看作为一个等效热偶极子来处理。本发明充分讨论了颗粒与偶极子之间的关系，尤其是考虑了材料各向异性和几何各向异性。这样，热导率可以矢量化为等效的偶极矩，并且具有可加性。因此，热幻像可以用等效热偶极子的概念来实现，即：考虑N个颗粒的宏观等效热偶极矩。该方案只需要一次计算，有助于提高效率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单、性能优异的热幻像装置。

本发明提出的热幻像装置，是基于等效热偶极子技术的，其包括两个不同的颗粒系统，在两个不同的颗粒系统中具有相同的热学效应(温度分布)，使红外热像仪探测中不能分辨出这两个不同的系统，从而实现热幻像，达到欺骗红外探测的目的。

本发明中，通过设计两个不同的颗粒系统，使得它们拥有相同的宏观热偶极矩，这样便可以达到热幻像的目的。具体来说，将颗粒系统中每个颗粒看作是一个等效热偶极子，然后通过求和计算，得到颗粒系统所有颗粒的宏观热偶极矩。

本发明，可以直接由二维推广到三维。

本发明中，涉及计算每个颗粒的等效热偶极矩，其基本规律由傅里叶定律描述，具体介绍如下：

对于两个不同的两个系统来说，热幻像就是要设计它们的宏观等效热偶极矩相等，具体可以表述为：

其中，N表示颗粒总的种类数，系统1有j种颗粒，系统2有N-j种颗粒，n_i表示第i种颗粒的颗粒数，表示第i种颗粒的等效热偶极矩。

下面具体计算不同颗粒的等效热偶极矩为方便，简记为即省略下标i。

对于二维情形，设一个半径为r、各向异性热导率为κ_p＝diag(κ_rr,κ_θθ)的圆形颗粒，镶嵌在热导率为κ_m的基质中，该颗粒的等效热偶极矩为：

其中，为各向异性颗粒的等效热导率，K₀为外界水平方向热场。κ_rr,κ_θθ分别为圆形颗粒的径向热导率和切向热导率。

对于一个短半轴为s、长半轴为t、各向同性热导率为κ_p的椭圆颗粒来说，该颗粒的等效热偶极矩为：