CN110826271B - 一种同时适用于传导、对流和辐射的热隐身斗篷装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于红外隐身技术领域，具体为一种同时适用于传导、对流和辐射的热隐身斗篷装置。本发明的热隐身斗篷装置是通过坐标变换由圆形区域从圆心向外压缩而形成的圆环区域内部，并确定热隐身斗篷的材料参数，使任何物体在圆环内即可隐身，即放置在热隐身斗篷内的任何物体都不会被红外探测所发现。该装置不仅适用于稳态还适用于瞬态。具体实现的方法是：通过坐标变换将一个圆形区域压缩成一个环形区域，并将空间的变换转为材料的变换，从而得到热隐身斗篷的材料参数。热传导和热辐射分别是由Fourier定律和Rosseland扩散近似处理；热对流可以通过直接改变速度或改变多孔介质的渗透率控制。本发明的理论推导得到了有限元模拟的验证。

Description

一种同时适用于传导、对流和辐射的热隐身斗篷装置

技术领域

本发明属于红外隐身技术领域，具体涉及热隐身斗篷装置。

背景技术

热能传递有三种方式，即：传导、对流和辐射。然而，现有的理论没有一个能同时处理传导、对流和辐射问题，尽管这三种方式在自然界中普遍存在。这在很大程度上限制了实际应用，因为在大多数情况下，这三种方式总是同时存在。为了解决这一问题，我们提出了变换全热学理论，以此来同时控制传导、对流和辐射。热传导和热辐射分别是由Fourier定律和Rosseland扩散近似处理。热对流可以通过直接改变速度或改变多孔介质的渗透率控制。在理论的基础上，本发明进一步设计了不仅适用于稳态还适用于瞬态的热隐身斗篷器件作为模型应用，并通过瞬态有限元模拟进行了验证。这项工作实现了在理论框架下统一热传导、热对流和热辐射，提出了变换全热学，在热管理方面具有潜在应用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够同时适用于传导、对流和辐射的热隐身斗篷装置。

本发明提供的能够同时适用于传导、对流和辐射的热隐身斗篷装置，是通过坐标变换由一个圆形区域从圆心压缩成的一个环形区域，并确定热隐身斗篷的材料参数，使任何物体在圆环内即可实现隐身，即：放置在热隐身斗篷内的任何物体都不会被红外探测所发现。

本发明不仅适用于稳态情形，也适用于瞬态情形。

本发明中，所述通过坐标变换将一个圆形区域从圆心向外压缩形成圆环区域的方式如下：

考虑二维情况，从虚拟空间(r,θ)到物理空间(r′,θ′)的坐标变化公式为：

其中，R₁和R₂分别是热隐身斗篷的内径和外径。公式(1)表示将一个圆形区域从圆心压缩成一个环形区域，参见图1。该坐标变换的Jacobian变换矩阵A可表示为：

本发明中，热隐身斗篷的材料参数确定方式如下：

本发明提供热隐身斗篷装置中，热传导通过Fourier定律处理，热辐射通过Rosseland扩散近似处理，热对流可以通过直接改变速度或改变多孔介质的渗透率控制。

考虑热传导、热对流和热辐射的纯流体，瞬态热输运过程的热力学演化过程可由以下公式主导：

其中，ρ_f,C_f,κ_f和v_f分别表示流体材料的密度、热容、热导率和速度。

为热辐射系数，β_f为Rosseland平均消光系数，n_f为相对折射率，σ为Stefan-Boltzmann常数(其值等于5.67×10^-8Wm^-2K^-4)。T代表温度，t代表时间，

为拉普拉斯算子。公式(3)和公式(4)分别表示热流守恒和质量守恒。

传导热流J₁可以用傅里叶定律描述：

对流热流J₂可以用公式(4)描述：

J₂＝ρ_fC_fv_fT (6)

辐射热流J₃由Rosseland扩散近似描述：

总热流J_T为：

J_T＝J₁+J₂+J₃ (8)

公式(1)和公式(2)满足坐标变换形式不变性，由雅可比矩阵A描述，于是以上参数的变换规则为：

即，变换后的折射率不发生改变n_f′＝n_f，变换后的Rosseland消光系数为

变换后的热导率为

变换后的密度和热容为

变换后的速度为v′_f＝Av_f；detA为Jacobian变换矩阵的行列式，A^τ为Jacobian变换矩阵的转置。

本发明的优点：

(1)本发明提出的方法具有普适性，可以同时调控对流、传导和辐射；

(2)本发明提出的方法利用坐标变换来进行调控，精准灵活；

(3)本发明提出的方法可适用于稳态和瞬态。

附图说明

图1是热隐身斗篷的二维示意图，其中，内外径对应的环形区域即为热隐身斗篷，内径以内区域可放置任意物体。

图2是热隐身斗篷的二维瞬态模拟图。颜色变化代表了温度分布的不同，白线为等温线。(a)-(d)的温度区间为300～360K，速度方向v_f沿+x方向。(e)-(h)的温度区间为300～1200K，速度方向v_f沿+x方向。(i)-(l)的温度区间为300～1200K，速度方向v_f沿-x方向。模拟尺寸大小为10×10cm²,R₁＝2.4cm,R₂＝3.6cm。背景参数为ρ_fC_f＝10⁶Jm^-3K^-1,n_f＝1,v_f＝10^{- 5}m/s，β_f＝100m^-1,κ_f＝1Wm^-1K^–1。热隐身斗篷的参数设置是根据公式(7)来设计，其中Jacobian矩阵由公式(9)决定。

图3是背景热通量沿x轴的分布。其中，(a)、(b)、(c)为图2中第一、第二、第三列相同边界条件下的稳态热流分布。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图进一步详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

图1展示了热隐身斗篷的二维示意图，内径与外径之间的环形区域即为热隐身斗篷，内径内的区域可放置任意被隐身的物体。在热传导、热对流和热辐射三种传热方式共同作用下，本发明设计的热隐身斗篷器件可以实现完美的热隐身效果。

在进行理论推导后，可以得到坐标变换后的参数设置及雅可比矩阵。为了验证理论推导的正确性，本发明利用有限元模拟软件COMSOL Multiphysics进行模拟。图2为二维瞬态的模拟结果。在三种情况(a-d),(e-h),(i-l)达到瞬态的过程中，无论初始温度和速度方向如何设置，背景的等温线都没有被扭曲且斗篷内部没有热流进入，达到了热学隐身的效果。边界条件设置为：左右边界分别为高温热源和低温冷源，上下边界绝热，中间白色区域的边界同样设置为绝热。

为了定量分析，还绘制了背景中热传导、热对流和热辐射的总热流通量图，见图3。其中，(a),(b)和(c)分别对应图2(a-d),(e-h),(i-l)所示的三种情况。在三种情况下，我们都可以观察到总通量(呈现水平的直线)是沿x轴的常数，因此总热通量是如公式(1)所述的保守量。同样可以验证我们的理论分析。

Claims (1)

1.一种同时适用于传导、对流和辐射的热隐身斗篷装置，其特征在于，为一个圆环区域内部，是通过坐标变换将一个圆形区域从圆心向外压缩而形成，并确定热隐身斗篷的材料参数，使任何物体在圆环内即可隐身；

所述通过坐标变换将一个圆形区域从圆心向外压缩形成圆环区域的方式如下：

考虑二维情况，对于热隐身斗篷，从虚拟空间(r,θ)到物理空间(r′,θ′)的坐标变化公式为：

其中，R₁和R₂分别是热隐身斗篷的内径和外径；公式(1)表示将一个圆形区域从圆心压缩成一个环形区域，该坐标变换的Jacobian变换矩阵A可表示为：

热隐身斗篷的材料参数确定方式如下：

考虑热传导、热对流和热辐射的纯流体，瞬态热输运过程的热力学演化过程的公式为：

其中，ρ_f,C_f,κ_f和v_f分别表示流体材料的密度、热容、热导率和速度；

为热辐射系数，β_f为Rosseland平均消光系数，n_f为相对折射率，σ为Stefan-Boltzmann常数；T代表温度，t代表时间，

为拉普拉斯算子；公式(1)和公式(2)分别表示热流守恒和质量守恒；

传导热流J₁用傅里叶定律描述：

对流热流J₂用公式(4)描述：

J₂＝ρ_fC_fv_fT (6)

辐射热流J₃由Rosseland扩散近似描述：

总热流J_T为：

J_T＝J₁+J₂+J₃ (8)

公式(1)和公式(2)满足坐标变换形式不变性，由雅可比矩阵A描述，于是以上参数的变换规则为：

即，变换后的折射率不发生改变n_f′＝n_f，变换后的Rosseland消光系数为

变换后的热导率为

变换后的密度和热容为

变换后的速度为v′_f＝Av_f；detA为Jacobian变换矩阵的行列式，A^τ为Jacobian变换矩阵的转置。

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