[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

说明书

本发明属于能源和红外技术领域，具体为基于变换热辐射和热传导理论设计的热旋转器装置。本发明的热旋转器装置，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，由Fourier定律给出，辐射热流由Rosseland扩散近似给出。本发明为调控热辐射提供了一种新方案，可用于通过热流旋转实现废热的回收再利用。

技术领域

本发明属于能源和红外技术领域，具体涉及一种能够改变局域热流方向的装置，尤其涉及基于变换热辐射和热传导理论设计的热旋转器装置。

背景技术

变换光学的提出为材料科学提供了一种全新的设计思路，即：将空间的变换等价为材料的变换。2008年，研究者将变换光学理论拓展至热传导领域中，拉开了热学超材料的序幕。经过十多年的发展，变换理论已经从热传导延伸至热对流。作为三种热能输运方式之一的热辐射，它的重要性已经展示在了生活中的方方面面，比如：太阳能利用。但可惜的是一直没有提出相应的变换理论来调控热辐射，这大大限制了热学超构材料在热辐射领域的发展。

本发明提出一种新的方法来调控热辐射，即：变换热辐射理论。通过将特定区域的空间进行旋转变换，就能够改变局域热流的方向，故称该器件为热旋转器。与已有的热旋转器不同的是，本发明设计的器件考虑了热辐射的影响，因此可以同时处理热传导和热辐射问题。对利用太阳能热辐射有着重要的作用，比如可以实现废热的回收再利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够同时处理热传导和热辐射、实现热旋转的热旋转器。

本发明提供的热旋转器，是基于变换热辐射和热传导理论设计的；所谓热旋转器，就是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；其中辐射热流可以通过Rosseland扩散近似来进行计算，传导热流可以通过Fourier定律来进行计算。

本发明提供的热旋转器，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，得到热旋转器的材料参数，由此实现热旋转。

本发明提供的热旋转器，可以处理二维问题，也可以处理三维问题；可以适用于稳态情形，也适用于瞬态情形。

下面进一步推导热旋转器实现热旋转的条件：

本发明既考虑了热辐射问题，也考虑了热传导问题。对于一个瞬态过程，温度随时间和空间的演化由以下公式(1)决定：

其中，括号内第一项为传导热流J_con，Fourier定律给出：

括号内第二项为辐射热流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,取值为5.67×10^-8Wm^-2K^-4。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。

变换热辐射理论不局限于空间的维度。为了讨论的方便，首先讨论二维的情况。对于一个从虚拟空间(r,θ)到物理空间(r′,θ′)的坐标变化，如公式(2)所示：