[发明专利]基于变换热辐射和热传导理论设计的热旋转器装置

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旋转器，其特征在于，采用变换热辐射方法，将空间的变换转换为材料的变换，并通过对特定的区域进行旋转变换，再将空间的变换等价为材料的变换，得到热旋转器即特定的区域的材料参数，由此得到热旋转器；该热旋转器，能够改变特定区域的热流方向，这里的热流为传导热流和辐射热流的总和；

所述的传导热流J_con，由Fourier定律给出：

所述的辐射热流J_rad，由Rosseland扩散近似给出：

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

所述的将空间的变换转换为材料的变换，具体如下：

对于二维的情况，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分别是热旋转器的内径和外径；即热旋转器是半径为r₁和r₂的圆所围成的区域；公式(2)的物理含义就是将一个半径为r₁的圆形区域旋转了θ₀角度；

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：

这里变换的是角度r₁和r₂分别是热旋转器的内径和外径，即热旋转器是半径为r₁和r₂的球面所围成的区域；

公式(2-1)的Jacobian变换矩阵Λ，为公式(9)所示：

得到Jacobian变换矩阵之后，就可以得到相应的材料参数；在热辐射和热传导体系中，通过调节材料参数，达到热旋转的效果；

所述再将空间的变换等价为材料的变换，具体如下：

对折射率n不做变换，即有公式(5)：

n′＝n,         (5)

其中，n′为变换后的相对折射率；

对于Rosseland平均消光系数β进行变换，变换后的Rosseland平均消光系数β′由公式(6)决定：

其中，detΛ为Λ的行列式，Λ^τ为Λ的转置；

同时，对密度ρ和热容C进行变换，变换后的密度和热容(ρC)′由公式(7)决定

对热导率κ进行变换，变换后的热导率κ′由公式(8)决定：

2.根据权利要求1所述的热旋转器，其特征在于，采用两种材料交替排列成多层结构，等效地实现热旋转的效果；具体为，假设两种材料的属性分别为：消光系数β_A,热导率κ_A；消光系数β_B,热导率κ_B；此两种材料需要满足：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；两种材料以等角螺线形状交替排列成层状结构，即可利用两种均匀各向同性的材料实现各向异性的功能。