[发明专利]基于变换热辐射和热传导理论设计的热隐身斗篷

说明书

本发明属于能源技术和红外技术领域，具体为基于变换热辐射和热传导理论设计的热隐身斗篷。本发明设计的热隐身斗篷，采用坐标变换方法，建立空间变化和材料变化之间的联系，即通过坐标变化将一个圆形区域从圆心压缩成一个环形区域，进而将空间的变化转换为材料的变化，确定热隐身斗篷的材料参数，得到隐身斗篷；其中能够同时调控热传导和热辐射，实现热隐身功能；所述热辐射通过Rosseland扩散近似处理，热传导通过Fourier定律处理。通过有限元模拟验证了本发明设计的可行性。本发明为调控热辐射提供了一种全新的方案，可用于欺骗红外探测、热防护等领域。

技术领域

本发明属于能源和红外技术领域，具体涉及基于变换热辐射和热传导理论设计的热隐身斗篷。

背景技术

热能输运主要有三种方式：热传导、热对流和热辐射。针对热传导和热对流，过去十年中已经发展出了相应的变换理论来控制热传导和热对流，但是针对热辐射的变换理论迟迟没有被提出。这大大限制了实际应用，因为任何温度不为零的物体都会发出热辐射。可以说，人类生活中处处存在热辐射：夜视仪的工作原理就是探测热辐射；军事对抗中也会利用到热辐射，因此如果能够自由调控热辐射，那将会大大促进在这些领域的实际应用。

为了解决这个问题，实现对热辐射的自由调控并促进实际应用，本专利提出了利用坐标变换的方法实现热隐身斗篷。热隐身斗篷能够使得内部的物体不影响斗篷外部的温度分布，就好像中间的物体不存在一样。但是，以往的热隐身斗篷都是基于热传导来进行设计的，对热辐射缺乏调控的能力，本发明专利就是要解决这个问题，将变换理论从单纯的热传导拓展到热辐射，进而设计出能够处理热辐射问题的热隐身斗篷。这对高温热防护领域有着重要的作用。这是因为在高温下，热辐射是主要的热能输运方式，所以如果不考虑热辐射效应而只考虑热传导效应的器件在高温下就会失效，从而失去热防护的能力。本技术提出的方案，能够同时处理针对热传导和热辐射的热防护问题，因此对实际应用有着重要作用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于变换热辐射和热传导理论设计的热隐身斗篷，使放在其中的任何物体都不会被外部红外探测所发现。

本发明提出的基于变换热辐射和热传导理论设计的热隐身斗篷，是采用坐标变换方法，建立空间变化和材料变化之间的联系，即通过坐标变化将一个圆形区域从圆心压缩成一个环形区域，进而将空间的变化转换为材料的变化，确定热隐身斗篷的材料参数，得到隐身斗篷，实现热隐身功能--放在其中的任何物体都不会被外部红外探测所发现。

本发明中，基于坐标变换理论，能够同时调控热传导和热辐射，实现热隐身功能。

本发明中，所述热辐射通过Rosseland扩散近似处理，热传导通过Fourier定律处理。

本发明提供的热隐身斗篷，可以适用于二维情形，也适用于三维情形；可以适用于稳态热传导情形，也适用于瞬态热传导情形。

下面进一步推导热隐身斗篷实现热隐身的条件：

考虑热辐射和热传导的瞬态热输运过程，它的热力学演化过程由以下公式(1)决定：

其中，ρ和C分别表示材料的密度和热容，T代表温度，t代表时间，为拉普拉斯算子。J_rad为辐射热流，由Rosseland扩散近似给出公式(2)：

其中，β为Rosseland平均消光系数，n为相对折射率，σ为Stefan-Boltzmann常数(其值等于5.67×10^-8Wm^-2K^-4)。J_con为传导热流，由Fourier定律给出公式(3)：

其中，κ为材料热导率。