[发明专利]基于变换热辐射和热传导理论设计的热聚集器装置

权利要求书

1.一种基于变换热辐射和热传导理论设计的热聚集器装置，其特征在于，采用变换热辐射方法，根据热聚集的要求，将特定区域的空间进行压缩变换，然后将空间压缩等价为材料的变换，实现物理空间上局域的热流增强，该局域即为热聚集器；其中，所述热流为辐射热流和传导热流的总和；

其中：

所述的辐射热流J_rad通过Rosseland扩散近似进行计算：

所述传导热流J_rad通过Fourier定律进行计算：

其中，β为Rosseland平均消光系数，n为相对折射率，σ为Stefan-Boltzmann常数，κ为材料热导率；

所述将特定区域的空间进行压缩变换，具体如下：

对于二维情况，从虚拟空间(r,θ)到物理空间(r′,θ′)的坐标变化如公式(2)所示：

其中，r₁和r₂分别是热聚集器的内径和外径，r_m是介于r₁和r₂之间的一个值，称为中径；公式(2)的物理含义就是将一个半径为r_m的圆形区域压缩为一个半径为r₁的圆形区域，然后将内外径分别为r_m和r₂的环形区域伸展为内外径分别为r₁和r₂的圆围成的环形区域，即为热聚集器；

公式(2)中坐标变换的Jacobian变换矩阵Λ为公式(3)和公式(4)所示：

对于三维情况，从虚拟空间到物理空间的坐标变化如公式(2-1)所示：

表示内、外径分别为r₁和r₂的球面所围的环形区域，即为热聚集器；公式(2-1)中坐标变换的Jacobian变换矩阵Λ为公式(9)所示：

根据坐标变换，可以得到相应的材料参数；在热辐射和热传导体系中，通过调节多个材料参数，达到热聚集的效果；

具体调节材料参数的方式如下：

对折射率不做变换，即如公式(5)：

n′＝n, (5)

其中，n′为变换后的相对折射率；为此，对Rosseland平均消光系数β做变换，变换后的Rosseland平均消光系数β′由公式(6)决定：

同时，对热导率κ进行变换，变换后的热导率κ′由公式(7)决定：

最后，需要对密度和热容ρC进行变换，变换后的密度和热容(ρC)′由公式(8)决定：

其中，detΛ为Λ的行列式，Λ^τ为Λ的转置。

2.根据权利要求1所述的热聚集器装置，其特征在于，采用两种材料以扇形交替排列成多层结构，等效地实现热聚集；具体为，设材料A的属性为：消光系数β_A,热导率κ_A；材料B的属性为：消光系数β_B,热导率κ_B；此两种材料满足：β_Aβ_B＝β²且κ_Aκ_B＝κ²，其中，β和κ为背景的消光系数和热导率；两种材料以扇形交替排列成层状结构，层数为120-360；由此利用两种均匀各向同性的材料实现各向异性的功能。