[发明专利]一种基于热偶极子的热隐身方法

说明书

本发明属于热隐身技术领域，具体为一种基于热偶极子的热隐身方法。本发明方法包括：构建热偶极子结构，精确计算热偶极子产生的热场；调节热偶极子的热偶极矩使其产生的热场与颗粒在均匀热场中产生的效果相消，从而实现热隐身。本发明方法适用于二维情形，也适用三维情形；而且在稳态和瞬态条件下都可以实现热隐身效果。本发明方法简单易行制对材料没有严苛要求。本发明也为其他领域实现隐身、伪装等性能提供了新的方法。

技术领域

本发明属于热隐身技术领域，具体涉及一种基于热偶极子的热隐身方法。

背景技术

随着人们对能源问题的日益关注，许多研究人员已将研究重点转向热能管理这一领域。近十年来新兴的热超构材料领域更是推动了热能管理这一领域的发展。最具代表性的例子是热隐身，它几乎贯穿了热超构材料的发展历程。热隐身的特征是基质(背景)的热场均匀。为了实现这一目标，人们提出了许多方案，最初的方法是基于变换热学实现热隐身。然而，变换热学存在几个问题会限制其实际应用。首先是各向异性，这需要不同的径向和切向分量的张量热导率。第二种是不均匀性，即为空间分布的热导率。第三个是奇点，热导率为零或无穷大。第四个是需要非常大的热导率，然而，自然界中材料的热导率的分布范围一般从0.026Wm^-1K^-1(空气)到430Wm^-1K^-1(银)，其他范围的热导率都是不存在的。这几个问题虽然限制了材料的实际应用，但也促进了超材料的发展。幸运的是，各向异性和非均匀性问题很快得到了解决。然而，奇点和热导率不存在的问题仍然不能同时解决。这两个问题(奇点和不存在)在很大程度上限制了热超材料的发展。

为了完全解决这两个问题，本发明提出了一种基于热偶极子实现热隐身的理论，它可以同时消除奇点和热导率不存在的要求。事实上，本发明甚至不需要设计任何壳层，一个热偶极子就足够了，见图1。因为热偶极子热场的特殊性，通过设计热偶极子矩(M)就可以抵消粒子的影响。接下来，本发明建立了基于热偶极子的二维热学理论并成功的推广到三维。通过有限元模拟和实验室实验验证了该理论的正确性。除此之外，本发明还证明了热偶极子实现热隐身不仅在稳态情况下成立，在瞬态情况下也依然成立。

发明内容

本发明的目的在于提出一种在稳态和瞬态情况下均能呈现热隐身的基于热偶极子的热隐身方法。

本发明提供的基于热偶极子的热隐身方法，首先构建热偶极子结构，精确计算热偶极子产生的热场，通过调节热偶极子的热偶极矩使其产生的热场与颗粒在均匀热场中产生的效果相消，从而实现热隐身。本发明方法是基于热偶极子实现热隐身，是一种的热隐身新机制。

本发明提供的方法，其中，二维情形可以直接推广到三维。

本发明方法，无论是稳态还是瞬态条件下，都可以实现热隐身的效果。

本发明提供的方法，其主要原理为，通过计算颗粒在外部均匀热场中产生的效果和热偶极子产生的热场来确定热偶极子的热偶极矩。其中热传导过程由傅里叶定律描述。下面具体推导本发明方法中，热偶极子实现热隐身满足的条件：

设颗粒的热导率和半径为k_p和r_p，热偶极子的热偶极矩为M，基质(背景)的热导率为k_m。根据傅里叶定律，当颗粒嵌在一个基质(背景)中时，基质(背景)的热场G_me可表示为：

其中，G₀表示均匀热场，T₀为在θ＝±π/2时的温度，为拉普拉斯算子。当颗粒中有一个热偶极子的时候(设热偶极子间距为l，热源Q)，由热偶极子引起的热场G_md可表示为：