CN110610028B - 一种针对热辐射的热隐身斗篷 - Google Patents

Abstract

本发明属于热力学技术领域，具体为一种针对热辐射的热隐身斗篷。本发明热隐身斗篷为壳层结构，该壳层内部的物体无法被壳层外部的红外探测发现，就好像中间的物体不存在一样；本发明用Rosseland扩散近似处理热辐射问题，热传导部分依旧由传统的傅里叶定律描述。热隐身斗篷由绝热层和补偿层构成，通过设计补偿层的Rosseland平均消光系数和热导率，可以同时实现室温和高温情形下的热隐身效果。本发明经过理论分析和有限元模拟验证，可用于热辐射防护等领域。

Description

一种针对热辐射的热隐身斗篷

技术领域

本发明属于热力学技术领域，具体涉及针对热辐射的热隐身斗篷。

背景技术

热隐身斗篷在热防护领域有着重要的意义，该装置能够保护中间的物体不被外部的红外探测所发现。已有的热隐身斗篷都是基于傅里叶热传导定律来进行设计的。但是，除了热传导以外，热能输运还存在着其他两种方式：热对流和热辐射。尤其是在高温条件下，根据斯特芬-玻尔兹曼定律可知，功率密度是随着温度的四次方增长的。由此，在高温条件下原有的基于纯粹的热传导的热隐身斗篷就不再适用，因为热辐射的效果已经变得不可忽略，必须要对热辐射进行调控。

为了解决这一问题，本发明考虑了热辐射的影响，并且考虑了在Rosseland扩散近似条件下的热辐射行为。该发明提出了一套有效介质理论可以处理热辐射相关的问题。通过这个理论，可以设计材料的等效热导率和Rosseland平均消光系数，甚至可以考虑几何各向异性的材料。进一步，该装置经过有限元模拟验证，结果表明：热隐身斗篷在稳态和非稳态下都表现良好。本发明解决了传统热隐身斗篷的缺陷，将它的功能推广至热辐射领域，对控制热辐射具有深远的价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单、隐身效果优异的针对热辐射的热隐身斗篷。

本发明提供的针对热辐射的热隐身斗篷，为壳层结构，该壳层内部的物体无法被壳层外部的红外探测发现，就好像中间的物体不存在一样。这种效果无论是在室温下热传导为主、还是高温条件下热辐射为主，都能发挥作用。

本发明提供的针对热辐射的热隐身斗篷，其中热导率可以调控热传导过程，Rosseland平均消光系数可以调控热辐射过程，通过设计壳层的热导率和Rosseland平均消光系数，使得壳层结构的等效参数和背景相同，从而抹去物体对背景产生的影响，使热隐身斗篷实现热隐身的要求。

本发明同时适用于二维和三维。

本发明中，需要计算壳层的等效热导率和等效Rosseland平均消光系数，它们分别由傅里叶定律和Rosseland扩散近似理论描述，具体如下：

假设在物体外部包裹一层绝热材料，由于绝热的原因，热流无法进入内部，这样物体和绝热层可以等效地认为是一个绝热的核。核的热导率为0，相对折射率为1，Rosseland平均消光系数为无穷大。为了消除绝热层对背景温度分布的影响，另外需要在绝热层外部再加上一个壳层作为补偿层：设这个壳层的热导率为κ_s，相对折射率为n_s，Rosseland平均消光系数为β_s。考虑一个几何各向异性的情况，核的三条半轴长分别为λ_c1、λ_c2、λ_c3；壳层的三条半轴长分别为λ_s1、λ_s2、λ_s3。这样，绝热层和补偿层组成了椭球形的热隐身斗篷，图1展示的是椭球形热隐身斗篷的截面图，即一个椭圆截面。对于这样一个椭球核壳结构的等效热导率可以由下式(1)计算：

而核壳结构的等效辐射参数可以由下式(2)计算：

其中，γ＝n²/β为辐射参数(例如，γ_s＝n_s ²/β_s，γ_ei＝n_ei ²/β_ei)，f＝λ_c1λ_c2λ_c3/λ_s1λ_s2λ_s3是核的体积分数，L_ci和L_si分别为核壳在i＝1,2,3方向的形状因子。为简化起见，把L_ci和L_si统一表示为L_i，可以由下式计算得到：

其中，λ₁、λ₂、λ₃为椭球在三个方向上的半轴长，当λ₁、λ₂、λ₃分别为核的三条半轴长λ_c1、λ_c2、λ_c3时，L_i即为L_ci；当λ₁、λ₂、λ₃分别为壳的三条半轴长λ_s1、λ_s2、λ_s3时，L_i即为L_si；d为微分符号，a为积分参数(从0到∞积分)。

这是计算核壳结构等效参数最普遍的方法，当然该方法也可直接退化到二维情形，只需要假设椭球的第三个轴长度趋于无穷大，即：λ₃＝∞。这时，转化为二维，公式(3)所描述的形状因子可以简化为：

通过公式(1)和(2)，就可以得到等效热导率和等效辐射参数，将这两个参数与背景参数进行匹配，就可以得到热隐身斗篷的效果，即：无论中间放什么物体，都不会对背景温度分布产生影响。

上述是基于热隐身斗篷的稳态情形，对于非稳态情形，进一步考虑材料的热扩散系数，使其满足补偿层和背景的热扩散系数相同，并进行经过优化处理，确定优化值；这里热扩散系数数值上等于热导率(κ)除以热容密度积(ρc)。

本发明的优点：

(1)本发明可以处理热辐射主导下的热隐身斗篷问题；

(2)本发明结构和参数简单，同时适用于稳态和非稳态过程；

(3)本发明可适用几何各向异性的情形。

附图说明

图1是热隐身斗篷示意图。

图2是热隐身斗篷稳态模拟结果。模拟尺寸为10×10cm²，所有区域的相对折射率为1，背景热导率为1Wm^-1K^-1，Rosseland平均消光系数为100m^-1。在有限元模拟时采用了三种温度分布：273～313K，此温度条件下热传导远大于热辐射效应；273～673K，此温度条件下热传导远和热辐射效应相当；273～4273K，此温度条件下热传导远小于热辐射效应。其中(a)-(c)中绝热层的半径为2cm；热导率为10^-5Wm^-1K^-1，Rosseland平均消光系数为10⁵m^-1；补偿层的半径为3cm；热导率为5.54Wm^-1K^-1，Rosseland平均消光系数为18.1m^-1。(d)-(f)中绝热层的半轴尺寸为2.5、1.25cm；热导率为10^-5Wm^-1K^-1，Rosseland平均消光系数为10⁵m^-1；补偿层的半轴为3、2.08cm；热导率为2.35Wm^-1K^-1，Rosseland平均消光系数为42.5m^-1。(g)-(i)展示的是参考温度分布，即全部用背景材料填充原来的区域。其中虚线圆和椭圆展示了热隐身斗篷的位置，是为了方便和第一列与第二列中的模拟作比较。

图3是热隐身斗篷瞬态模拟结果。参数与图2(e)中的完全一样，但是需要额外考虑材料的密度和热容。其中背景的热容密度积为10⁶Jm^-3K^-1，补偿层的热容密度积为2.35×10⁶Jm^-3K^-1。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

图1展示了热隐身斗篷的示意图。通过公式(1)和(2)设计壳层的参数，使之与背景参数相匹配，就能实现热隐身斗篷的功能。与此同时，该发明也可以处理几何各向异性的椭球/椭圆问题，只是需要核壳结构是共焦的(对于圆核壳结构来说需要同心的)。对于非共焦(非同心)的结构，本发明也可起作用，但得到的效果是近似的结果。

图2中展示了热隐身斗篷的稳态模拟图。模拟采用的是商业软件COMSOLMULTIPHYSICS。根据斯特芬-玻尔兹曼定律可知：辐射功率是与温度的四次方成正比的。所以在室温条件下能够工作的热隐身斗篷，在高温区域会失效，因为不得不考虑辐射的影响。为了将辐射带来的影响体现出来，我们采取了三种温度分布：273～313K,其中热传导是支配地位的；273～673K,其中热辐射已经和热传导的影响差不多；273～4273K,其中热辐射已经成为了处于支配地位的热输运方式。为了体现热隐身斗篷是否工作，可以观察图2第一列和第二列中背景的温度分布，它们和最后一列中虚线外部相应的温度分布完全一模一样。这就说明热隐身斗篷可以保护中间的物体不被斗篷外部的红外探测发现，就好像物体压根不存在一样，这样就实现了热隐身斗篷的效果。从有限元模拟结果可以看出，隐身斗篷在室温和高温下都能非常好的进行工作。

以上是热隐身斗篷的稳态模拟结果，但是本发明不仅限于此，热隐身斗篷同样适用于非稳态。为了实现非稳态下的效果，需要额外考虑两个参数，即材料的热容和密度。为了便于讨论，定义一个新的物理量，即：热扩散系数，它在数值上等于热导率(κ)除以热容密度积(ρc)。在设计稳态热隐身斗篷时，利用公式(1)和(2)设计材料的热导率和辐射参数。但是在非稳态的条件下，除了需要满足公式(1)和(2)的全部要求，还需要满足另外一个条件，即确保每个区域(补偿层和背景)的热扩散系数相同，也就需要特意设计热容密度积。在确保了每个区域的热扩散系数相同之后，进一步进行有限元模拟，热隐身斗篷表现良好。在这些设计的参数下，体系大约需要60分钟达到最后的稳态。图3展示了热隐身斗篷在10、20、60分钟下的温度分布，这说明热隐身斗篷同样可以在非稳态下工作。

Claims (3)

1.一种针对热辐射的热隐身斗篷，其特征在于，为壳层结构，该壳层内部的物体无法被壳层外部的红外探测发现，就好像中间的物体不存在一样；

其中，材料热导率调控热传导过程，Rosseland平均消光系数调控热辐射过程，通过设计壳层的热导率和Rosseland平均消光系数，使得壳层结构的等效参数和背景相同，从而抹去物体对背景产生的影响，使热隐身斗篷实现热隐身的要求；

具体的，该热隐身斗篷为椭球形，包括内部的绝热层和外部的壳层作为补偿层；设壳层的热导率为κ_s，相对折射率为n_s，Rosseland平均消光系数为β_s；在几何各向异性的情况，核的三条半轴长分别为λ_c1、λ_c2、λ_c3；壳层的三条半轴长分别为λ_s1、λ_s2、λ_s3；该椭球核壳结构的等效热导率满足式(1)关系：

而核壳结构的等效辐射参数满足式(2)关系：

其中，γ＝n²/β为辐射参数，f＝λ_c1λ_c2λ_c3/λ_s1λ_s2λ_s3是核的体积分数，L_ci和L_si分别为核壳在i＝1,2,3方向的形状因子，由下式计算得到：

其中，λ₁、λ₂、λ₃为椭球在三个方向上的半轴长。

2.根据权利要求1所述的热隐身斗篷，其特征在于，设椭球的第三个轴长度趋于无穷大，即：λ₃＝∞，这时，转化为二维，公式(3)所描述的形状因子简化为：

3.根据权利要求1或2所述的热隐身斗篷，其特征在于，对于非稳态，进一步考虑材料的热扩散系数，使其满足补偿层和背景的热扩散系数相同，并进行经过优化处理，确定优化值；这里热扩散系数数值上等于热导率(κ)除以热容密度积(ρc)。

Images