CN112945001B - 一种具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件 - Google Patents

一种具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高鲁棒性的热梯度收集器件，其包括若干个导热系数和密度不相同的环状结构和每两个相邻环之间的导热系数不同的界面介质。该器件将非对称耦合单元按照周期排布形成SSH模型耦合直链，然后将这种SSH模型耦合直链反向拼接，形成一个热梯度定向收集器。从该器件的任意方向任意位置输入热梯度，最终都会使热梯度局域到器件的特定局部位置，显示出高鲁棒性。

Description

一种具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件
技术领域
本发明涉及一种具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件，属于热功能器件领域。
背景技术
热学超材料近年来得到迅猛发展，在热隐身、热防护、热管理和热信息等方面都取得了很大进步，通过调控热能的传输与转换，控制热流，可以实现多种功能，在很多领域，例如热电，燃料电池，隔热涂层，太阳能电池等表现出巨大的应用前景，具备战略性重大突破的可能，但是热收集方面还存在技术难题，导致无法实现高效便捷的热能量收集和转化方式。
目前已有的热能收集器件还在使用多层复合材料方法，只能在厚的复合材料和平面结构中实现热通量的掩盖，集中和逆转，不光效率低下而且难以实际应用。目前还未有热梯度收集器件的技术，这导致无法在大的热梯度下实现高效热传导进行热能的收集和转化。因此，设计一种热梯度定向收集器件对于上述问题的解决是很有意义的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件，从而克服现有技术的全部或部分缺陷。
需注意的是，本发明所指的热梯度是指温度梯度，是描述温度在特定的区域环境内最迅速的变化会向何方向，以及是何种速率的物理量；在自然界中气温、水温或土壤温度随陆地高度或水域及土壤深度变化而出现的阶梯式递增或递减的现象。具有连续温度场的物体内，过任意一点P温度变化率最大的方向位于等温线的法线方向上，称过点P的最大温度变化率为温度梯度。本发明所指的高鲁棒性和定向是指不管从该器件的什么方向什么位置输入热梯度，最终都会使热梯度局域到器件的特定局部位置。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件，所述热梯度定向收集器件包括第一SSH模型耦合直链和第二SSH模型耦合直链；所述第一SSH模型耦合直链由N个非对称耦合单元周期性线性排列而成，所述第二SSH模型耦合直链由M个非对称耦合单元周期性线性排列而成；N和M均为大于等于1的整数；每个非对称耦合单元包含第一圆环结构、第二圆环结构和圆环形的界面介质层，所述界面介质层夹持于第一圆环结构和第二圆环结构之间，且相邻两个非对称耦合单元之间也夹持有一层圆环形的界面介质层；
两条SSH模型耦合直链以各自端部的第二圆环结构为拼接端按照镜像形式拼接，且拼接端的两个第二圆环结构之间也夹持有一层圆环形的中间界面介质层，使整个热梯度定向收集器件形成任意两个相邻圆环结构之间均夹持一层界面介质层的多层结构；整个热梯度定向收集器件中的所有圆环结构和界面介质层同轴布置，所有圆环结构和界面介质层的材料比热容相同且横截面的形状和尺寸也相同，所有圆环结构的厚度相同，所有界面介质层的厚度相同；
在整个热梯度定向收集器件中，位于所述中间界面介质层两侧的两个第二圆环结构的密度为ρ，所述中间界面介质层的导热系数为κ，则其余圆环结构的密度和界面介质层的导热系数满足：
位于所述中间界面介质层任意一侧的任意第i个非对称耦合单元中，第二圆环结构的密度为
Figure BDA0002936456250000021
第一圆环结构的密度为
Figure BDA0002936456250000022
位于所述中间界面介质层任意一侧的任意第j层界面介质层的导热系数为
Figure BDA0002936456250000023
α为小于1但大于0的系数；
整个热梯度定向收集器件中所有界面介质层的密度均与含有非对称耦合单元较多的一条SSH模型耦合直链端部的第一圆环结构的密度相同。
作为上述方案的一种优选实现形式，所述热梯度定向收集器件为由四个圆环结构和三层圆环形的界面介质层组成多层的筒状结构；整个热梯度定向收集器件中的所有圆环结构和界面介质层同轴布置，任意两个相邻圆环结构之间均夹持一层界面介质层；所有圆环结构和界面介质层的材料比热容相同且横截面的形状和尺寸也相同，所有圆环结构的厚度相同，所有界面介质层的厚度相同；
四个圆环结构的密度满足：
ρ2＝ρ3＝α2ρ1
ρ4＝ρ1
其中，ρN表示第N层圆环结构的密度，N代表圆环结构所在层的序数，N＝1,2,3,4；
四个圆环结构的导热系数满足：
Figure BDA0002936456250000031
其中，κN代表第N层圆环结构的导热系数，Cp代表圆环结构和介面介质的材料比热容，b代表每层圆环结构的厚度，d代表每层界面介质层的厚度，r代表圆环结构的内径，κ0为圆环结构的基础导热系数；
三层界面介质层的密度均和第一层圆环结构的密度ρ1相同，三层界面介质层的导热系数满足：
Figure BDA0002936456250000032
其中，κ介质n代表第n层界面介质层的导热系数，n代表界面介质层所在层的序数，κ介质0为界面介质层的基础导热系数。
作为上述方案的另一种优选实现形式，所述热梯度定向收集器件为由十二个圆环结构和十一层圆环形的界面介质层组成多层的筒状结构；整个热梯度定向收集器件中的所有圆环结构和界面介质层同轴布置，任意两个相邻圆环结构之间均夹持一层界面介质层；所有圆环结构和界面介质层的材料比热容相同且横截面的形状和尺寸也相同，所有圆环结构的厚度相同，所有界面介质层的厚度相同；
十二个圆环结构的密度满足：
ρ2＝ρ3＝α2ρ1
ρ4＝ρ5＝α4ρ1
ρ6＝ρ7＝α6ρ1
ρ8＝ρ9＝ρ12＝α8ρ1
ρ10＝ρ11＝α10ρ1
其中，ρN表示第N层圆环结构的密度，N代表圆环结构所在层的序数，N＝1,2,…,12；
十二个圆环结构的导热系数满足：
Figure BDA0002936456250000041
其中，κN代表第N层圆环结构的导热系数，Cp代表圆环结构和介面介质的材料比热容，b代表每层圆环结构的厚度，d代表每层界面介质层的厚度，r代表圆环结构的内径，κ0为圆环结构的基础导热系数；
十一层界面介质层的密度均和第一层圆环结构的密度ρ1相同，十一层界面介质层的导热系数满足：
Figure BDA0002936456250000042
其中，κ介质n代表第n层界面介质层的导热系数，n代表界面介质层所在层的序数，κ介质0为界面介质层的基础导热系数。
作为优选，所述第一SSH模型耦合直链和第二SSH模型耦合直链包含的非对称耦合单元个数相同或不同。
作为优选，所述任意一个非对称耦合单元中，两个圆环结构的密度和比热容的乘积不相等。
作为优选，每一条SSH模型耦合直链相邻圆环结构的密度分布呈一种梯度关系，相邻界面介质层的导热系数分布呈另一种梯度关系。
作为优选，所述热梯度定向收集器件的第一SSH模型耦合直链和第二SSH模型耦合直链中，以所述中间界面介质层为中心面，中心面两侧各K个非对称耦合单元的材料参数呈镜像对称，其中K为N和M中的较小值。
作为优选，将任意热梯度初始加载到器件任意一个或若干圆环结构上，各环温度梯度(振幅)占比到达稳态时，器件上的热梯度都聚集于所述中间界面介质层两侧的两个第二圆环结构上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的热梯度定向收集器件可通过收集热梯度在所需要的位置获得较大的热量差，从而获得更大的热传导速度，对热量的收集、传导和转化有很大提升。该器件具有对初始状态的不敏感性，且不需要主动能量输入，可适应各类复杂未知的热环境。
附图说明
图1是实施例1中具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件的示意图及局部放大图；
图2是实施例1中具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件在不同初始条件和稳态时的示意图；
图3是实施例1中具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件的每层环状结构的热量占比随时间演化的关系图；
图4是实施例2中具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件的示意图及局部放大图；
图5是实施例2中具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件在不同初始条件和稳态时的示意图；
图6是实施例2中具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件的每层环状结构的热量占比随时间演化的关系图；
图中附图标记为：1.第一层圆环状结构；2.第二层圆环状结构；3.第三层圆环状结构；4.第四层圆环状结构；5.第五层圆环状结构；6.第六层圆环状结构；7.第七层圆环状结构；8.第八层圆环状结构；9.第九层圆环状结构；10.第十层圆环状结构；11.第十一层圆环状结构；12.第十二层圆环状结构；13.第一层界面介质层；14.第二层界面介质层；15.第三层界面介质层；16.第四层界面介质层；17.第五层界面介质层；18.第六层界面介质层；19.第七层界面介质层；20.第八层界面介质层；21.第九层界面介质层；22.第十层界面介质层；23.第十一层界面介质层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明设计的一种具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件包括若干个导热系数和密度不相同的环状结构和每两个相邻环之间的导热系数不同的界面介质。具体地，在相邻通道之间的热传递中，根据质量和热传递量守恒定律，其质量、热容量和温度变化率的乘积是对称的。但是，由于两个耦合通道的质量和热容量乘积不同，在此过程中温度场的演化可能是不对称的。因此，本发明可以通过具有梯度质量密度或容量的材料简单地实现包含扩散性趋肤效应的链结构。结合两个反向的链结构，则会构建热漏斗，其中温度场会自动向界面集中。
基于上述原理，下面具体描述这种具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件的具体形式。
本发明中，具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件包括第一SSH模型耦合直链和第二SSH模型耦合直链。其中，第一SSH模型耦合直链由N个非对称耦合单元周期性线性排列而成，第二SSH模型耦合直链由M个非对称耦合单元周期性线性排列而成。N和M均为大于等于1的整数，因此两条SSH模型耦合直链中的非对称耦合单元个数可以为1个，亦可为多个。所谓线性排列，是指将非对称耦合单元按照直链形式依次排列，而且在排列过程中各单元的姿态形式是相同的，呈现沿直链的周期性重复状态。当然，如果SSH模型耦合直链中的非对称耦合单元个数为1个，亦可视为是一种特殊的周期排列方式。第一SSH模型耦合直链和第二SSH模型耦合直链包含的非对称耦合单元个数可以是相同的，也可以是不同的，即N和M可以相同也可以不同。
非对称耦合单元是组成SSH模型耦合直链的基本结构，每个非对称耦合单元包含第一圆环结构、第二圆环结构和圆环形的界面介质层，界面介质层夹持于第一圆环结构和第二圆环结构的双环之间。在一个非对称耦合单元中，双环即两层圆环结构和一层界面介质层的横截面形状是完全相同的，即三者的内径和外径完全相同，因此其拼接后形成一个圆筒形式。而且，相邻两个非对称耦合单元之间并不是由圆环结构直接连接的，而是也夹持有一层圆环形的界面介质层，这一层界面介质层的形状与非对称耦合单元内部的界面介质层形状完全相同。两条SSH模型耦合直链中，各非对称耦合单元连接后，整条直链的一端为第一圆环结构，另一端为第二圆环结构。
第一SSH模型耦合直链和第二SSH模型耦合直链也是拼接的，但是其拼接方式是一种镜像对称形式的拼接。具体来说，两条SSH模型耦合直链需要以各自端部的第二圆环结构为拼接端按照镜像形式拼接，且拼接端的两个第二圆环结构之间也夹持有一层圆环形的界面介质层(为了便于叙述将其定义为中间界面介质层)，使整个热梯度定向收集器件形成任意两个相邻圆环结构之间均夹持一层界面介质层的多层结构。所谓“镜像形式拼接”，是指热梯度定向收集器件的第一SSH模型耦合直链和第二SSH模型耦合直链中，以两者的拼接面为中心面，中心面两侧各K个非对称耦合单元中包括结构以及材料参数(包括密度、导热系数等)在内的各种参数均呈镜像对称，其中K应当取N和M中的较小值。
整个热梯度定向收集器件中的所有圆环结构和界面介质层同轴布置，所有圆环结构和界面介质层的材料比热容相同，而且所有圆环结构和界面介质层的横截面的形状和尺寸也相同，整个器件呈圆筒状的多层结构。另外，在整个器件中，考虑对称性，所有圆环结构的厚度相同，所有界面介质层的厚度也相同。
另外，在整个热梯度定向收集器件中，为了实现包含扩散性趋肤效应的两个反向的链结构，以便于构建热漏斗使温度场自动向界面集中，我们通过具有梯度密度或比热容的材料来构建特定的第一SSH模型耦合直链和第二SSH模型耦合直链。
为了便于叙述，我们定义位于所述中间界面介质层两侧的两个第二圆环结构的密度为ρ，所述中间界面介质层的导热系数为κ，则其余圆环结构的密度和界面介质层的导热系数需要同时满足以下条件1)和2)：
1)位于所述中间界面介质层任意一侧的任意第i个非对称耦合单元中，第二圆环结构的密度为
Figure BDA0002936456250000071
第一圆环结构的密度为
Figure BDA0002936456250000072
此处，i的取值范围根据两侧各自具有的非对称耦合单元个数而定，第一SSH模型耦合直链一侧的i取值范围为[1,N]范围内的正整数，第二SSH模型耦合直链一侧的i取值范围为[1,M]范围内的正整数。α为小于1但大于0的系数，具体根据实际进行调整优化。
2)位于所述中间界面介质层任意一侧的任意第j层界面介质层的导热系数为
Figure BDA0002936456250000073
同样的，j的取值范围根据两侧各自具有的非对称耦合单元个数而定，第一SSH模型耦合直链一侧的j取值范围为[1,2N-1]范围内的正整数，第二SSH模型耦合直链一侧的j取值范围为[1,2M-1]范围内的正整数。α为小于1但大于0的系数，具体根据实际进行调整优化。
另外，整个热梯度定向收集器件中所有界面介质层的密度均为固定值，其取值与两条SSH模型耦合直链中含有非对称耦合单元较多的一条SSH模型耦合直链端部的第一圆环结构的密度相同。
上述构建的热梯度定向收集器件，其任意一个非对称耦合单元中，两个圆环结构的密度ρ和比热容C的乘积ρC均不相等。因此，在工作时相邻两环之间存在热量交换，这一热量交换在大密度环上引起的温度变化小于在小密度环上引起的温度变化，从而热梯度将逐渐向低密度环移动。其效果体现为，初始将任意热梯度加载到任意一个或若干圆环结构上，则随时间自然演化到达稳态时，器件上的热梯度都将聚集于指定环上，具体来说将聚集于拼接位置的中间界面介质层两侧的两个第二圆环结构上。
下面针对上述热梯度定向收集器件，本发明进一步提供了一种该热梯度定向收集器件的设计方法，包括以下步骤：
非对称耦合单元构建：先确定非对称耦合单元的参数设置，主要为圆环和界面介质层的内直径，外直径，厚度，密度，比热容，这些参数需要根据器件的设计需求而定。其中，双环的结构参数和材料比热容相同，而密度不同，将界面介质层置于双环之间紧密相连。为了验证该单元内的温度场演化，给双环随机的初始温度，使用热像仪观测温度场在双环中的演化。环中的最高温和最低温之间的差值与环上热程的比值即为环的温度梯度。根据扩散-耦合方程，当两环的密度不同时，温度场在两环之间非对称分布。两环非对称耦合哈密顿量H为
Figure BDA0002936456250000081
其中β为两环的传播常数，大小等于2π与环的内直径的比值，D为两环的扩散系数，κi为界面介质的导热系数，ρ和C为两个环的密度和热导率，b和d分别为环的厚度和界面介质的厚度。当ρ1C1和ρ2C2不相等时，给环任意的初始温度分布，最终到达稳态时两环的温度梯度不同。
扩散趋肤效应耦合链构建：将非对称耦合单元按照线性周期排布形成SSH模型耦合直链。相邻的环之间密度分布呈一种梯度关系，相邻的界面介质层导热系数分布呈另一种梯度关系。由于非对称耦合引入了虚的规范势，在有限单元开边界条件下，会导致温度梯度呈指数增长或者衰减堆积在边界，这样便形成了扩散趋肤效应。此时使用热像仪观测结构中的温度分布，可以发现最大的温度梯度会出现在第一个或者最后一个环中。因此，可给出实空间中相邻环之间的耦合方程：
i(h1+δ)TA,n+ih0TA,n+1＝(ωn-iS0)TB,n
i(h1-δ)TB,n+ih0TB,n-1＝(ωn-iS0)TA,n
其中T表示环中的温度梯度，i(h1+δ)表示第n个单元中的环A向环B的耦合系数，i(h1-δ)表示第n个单元中的环B向环A的耦合系数，ih0表示第n个单元和第n+1个单元之间相等的耦合系数，ωn-iS0表示结构整体的损耗。当我们取其中一个ωn-iS0为0时，温度梯度会以
Figure BDA0002936456250000091
呈指数形式堆积在环A中，或者以
Figure BDA0002936456250000092
(0<δ<h1)呈指数形式堆积在环B中，即为扩散趋肤效应。
热梯度定向收集器件构建：将这种SSH模型耦合直链镜像拼接，即可形成一个热梯度定向收集器。通过热像仪观测结构中温度分布，可以发现无论初始给该器件任意形式温度，在到达稳态时最大温度梯度出现在离拼接处最近邻的两个环中。当拼接处左右两个直链包含单元数不同时，最大温度梯度出现在单元数较多的一侧。
需要说明的是，本发明中的圆环结构和界面介质层的具体所用材料不限，只要满足上述对材料参数的要求即可，具体根据器件本身的使用要求和应用场景而定。
因此，通过上述设计方法，本发明可以根据器件的功能要求，通过组合不同的SSH模型耦合直链实现热梯度定向收集。为了进一步展示本发明的具体实现形式，下面将基于上述设计的热梯度定向收集器件形式，将其应用于具体的实施例中，以说明其技术效果。
实施例1
本实施例中，参见图1所示，该热梯度定向收集器件为由十二个圆环结构和十一层圆环形的界面介质层组成多层的筒状结构。整个热梯度定向收集器件中的所有圆环结构和界面介质层同轴布置，任意两个相邻圆环结构之间均夹持一层界面介质层。
因此，在该器件中，其第一SSH模型耦合直链和第二SSH模型耦合直链实际包含的非对称耦合单元个数分别为5个和1个，即N＝5,M＝1。第一层圆环结构、第一层界面介质层和第二层圆环结构构成了第一SSH模型耦合直链的第一个非对称耦合单元，后续非对称耦合单元依次类推；第十一层圆环结构、第十一层界面介质层和第十二层圆环结构构成了第二SSH模型耦合直链，第十层界面介质层作为中间界面介质层连接了两条SSH模型耦合直链。
所有圆环结构和界面介质层的材料比热容相同且横截面的形状和尺寸也相同，所有圆环结构的厚度相同，所有界面介质层的厚度相同。
十二个圆环结构的密度满足以下条件：
ρ2＝ρ3＝α2ρ1
ρ4＝ρ5＝α4ρ1
ρ6＝ρ7＝α6ρ1
ρ8＝ρ9＝ρ12＝α8ρ1
ρ10＝ρ11＝α10ρ1
其中，ρ1表示第一层圆环结构的密度，ρ2表示第二层圆环结构的密度，ρ3表示第三层圆环结构的密度，依此类推。即ρN表示第N层圆环结构的密度，N代表圆环结构所在层的序数，N＝1,2,…,12；
当十二个圆环结构的密度满足上述要求后，即可推导出十二个圆环结构的导热系数满足以下条件：
Figure BDA0002936456250000101
其中，κN代表第N层圆环结构的导热系数，Cp代表圆环结构和介面介质的材料比热容，b代表每层圆环结构的厚度，d代表每层界面介质层的厚度，r代表圆环结构的内径，κ0为圆环结构的基础导热系数；
十一层界面介质层的密度均和第一层圆环结构的密度ρ1相同，十一层界面介质层的导热系数满足以下条件：
Figure BDA0002936456250000111
其中，κ介质n代表第n层界面介质层的导热系数，n代表界面介质层所在层的序数，κ介质0为界面介质层的基础导热系数。
上述器件的具体参数和效果如下：
以器件圆环结构的圆心位置为原点建立柱坐标系，在器件上施加规则的323+5*sin(φ)(K)的初始温度场，其中器件圆环结构内半径r取100mm，圆环结构厚度b均取5mm，中间介质厚度d均取1mm，第一层圆环结构密度ρ1取1000kg/m3，基础导热系数κ0取100W/(m·K)，圆环结构和中间介质层的比热容Cp均取1000J/(kg·K)，参数α取0.4。器件的初始温度场图如图2(a)所示，热量在各层环状结构中随时间的变化如图3(a)所示，稳态时器件的温度场图如图2(c)所示，表明该器件实现了对热梯度的收集，整体热梯度被局域在第十和第十一环上。另外，在器件上施加随机初始温度场：在第三层圆环结构上施加323+3*sin(φ)(K)的初始温度场，在第七层圆环结构上施加323+4*sin(φ+pi/2)(K)的初始温度场，在第九层圆环结构上施加323+5*sin(φ)(K)的初始温度场，在其余部分施加323(K)的初始温度场，其他参数不变，器件的初始温度场图如图2(b)所示，热量在各层环状结构中随时间的变化如图3(b)所示，稳态时器件的温度场图如图2(d)所示，该器件依然可以完成对热梯度的收集，整体热梯度被局域在第十和第十一环上。由此体现了其具有强鲁棒性，可以将不同位置不同方向输入的热梯度都局域到指定位置。
实施例2
本实施例中，参见图4所示，热梯度定向收集器件为由四个圆环结构和三层圆环形的界面介质层组成多层的筒状结构。整个热梯度定向收集器件中的所有圆环结构和界面介质层同轴布置，任意两个相邻圆环结构之间均夹持一层界面介质层。
因此，在该器件中，其第一SSH模型耦合直链和第二SSH模型耦合直链实际包含的非对称耦合单元个数均为1个。第一层圆环结构、第一层界面介质层和第二层圆环结构构成了第一SSH模型耦合直链，第三层圆环结构、第三层界面介质层和第四层圆环结构构成了第二SSH模型耦合直链，第二层界面介质层作为中间界面介质层连接了两条SSH模型耦合直链。
所有圆环结构和界面介质层的材料比热容相同且横截面的形状和尺寸也相同，所有圆环结构的厚度相同，所有界面介质层的厚度相同。
四个圆环结构的密度满足以下条件：
ρ2＝ρ3＝α2ρ1
ρ4＝ρ1
其中，ρ1表示第一层圆环结构的密度，ρ2表示第二层圆环结构的密度，ρ3表示第三层圆环结构的密度，依此类推。即ρN表示第N层圆环结构的密度，N代表圆环结构所在层的序数，N＝1,2,3,4；
当四个圆环结构的密度满足上述要求后，即可推导出四个圆环结构的导热系数满足以下条件：
Figure BDA0002936456250000121
其中，κN代表第N层圆环结构的导热系数，Cp代表圆环结构和介面介质的材料比热容，b代表每层圆环结构的厚度，d代表每层界面介质层的厚度，r代表圆环结构的内径，κ0为圆环结构的基础导热系数；
三层界面介质层的密度均和第一层圆环结构的密度ρ1相同，三层界面介质层的导热系数满足：
Figure BDA0002936456250000122
其中，κ介质n代表第n层界面介质层的导热系数，n代表界面介质层所在层的序数，κ介质0为界面介质层的基础导热系数。
上述器件的具体参数和效果如下：
以器件圆环结构的圆心位置为原点建立柱坐标系，在器件上施加规则的323+10*sin(φ)(K)的初始温度场，其中器件圆环结构半径r取100mm，圆环结构厚度b均取5mm，中间介质层厚度d均取1mm，第一层圆环结构密度ρ1取1000kg/m3，基础导热系数κ0取0.5W/(m·K)，圆环结构和中间介质层的比热容Cp均取1000J/(kg·K)，参数α取0.2。器件的初始温度场图如图5(a)所示，热量在各层环状结构中随时间的变化如图6所示，稳态时器件的温度场图如图5(b)所示，表明该器件实现了对热梯度的收集，整体热梯度被局域在第二和第三环上。由此体现了其可以将不同位置不同方向输入的热梯度都局域到指定位置。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件，其特征在于，所述热梯度定向收集器件包括第一SSH模型耦合直链和第二SSH模型耦合直链；所述第一SSH模型耦合直链由N个非对称耦合单元周期性线性排列而成，所述第二SSH模型耦合直链由M个非对称耦合单元周期性线性排列而成；N和M均为大于等于1的整数；每个非对称耦合单元包含第一圆环结构、第二圆环结构和圆环形的界面介质层，所述界面介质层夹持于第一圆环结构和第二圆环结构之间，且相邻两个非对称耦合单元之间也夹持有一层圆环形的界面介质层；
两条SSH模型耦合直链以各自端部的第二圆环结构为拼接端按照镜像形式拼接，且拼接端的两个第二圆环结构之间也夹持有一层圆环形的中间界面介质层，使整个热梯度定向收集器件形成任意两个相邻圆环结构之间均夹持一层界面介质层的多层结构；整个热梯度定向收集器件中的所有圆环结构和界面介质层同轴布置，所有圆环结构和界面介质层的材料比热容相同且横截面的形状和尺寸也相同，所有圆环结构的厚度相同，所有界面介质层的厚度相同；
在整个热梯度定向收集器件中，位于所述中间界面介质层两侧的两个第二圆环结构的密度为ρ，所述中间界面介质层的导热系数为κ，则其余圆环结构的密度和界面介质层的导热系数满足：
位于所述中间界面介质层任意一侧的任意第i个非对称耦合单元中，第二圆环结构的密度为
Figure FDA0002936456240000011
第一圆环结构的密度为
Figure FDA0002936456240000012
位于所述中间界面介质层任意一侧的任意第j层界面介质层的导热系数为
Figure FDA0002936456240000013
α为小于1但大于0的系数；
整个热梯度定向收集器件中所有界面介质层的密度均与含有非对称耦合单元较多的一条SSH模型耦合直链端部的第一圆环结构的密度相同。
2.如权利要求1所述的具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件，其特征在于，所述热梯度定向收集器件为由四个圆环结构和三层圆环形的界面介质层组成多层的筒状结构；整个热梯度定向收集器件中的所有圆环结构和界面介质层同轴布置，任意两个相邻圆环结构之间均夹持一层界面介质层；所有圆环结构和界面介质层的材料比热容相同且横截面的形状和尺寸也相同，所有圆环结构的厚度相同，所有界面介质层的厚度相同；
四个圆环结构的密度满足：
ρ2＝ρ3＝α2ρ1
ρ4＝ρ1
其中，ρN表示第N层圆环结构的密度，N代表圆环结构所在层的序数，N＝1,2,3,4；
四个圆环结构的导热系数满足：
Figure FDA0002936456240000021
其中，κN代表第N层圆环结构的导热系数，Cp代表圆环结构和介面介质的材料比热容，b代表每层圆环结构的厚度，d代表每层界面介质层的厚度，r代表圆环结构的内径，κ0为圆环结构的基础导热系数；
三层界面介质层的密度均和第一层圆环结构的密度ρ1相同，三层界面介质层的导热系数满足：
Figure FDA0002936456240000022
其中，κ介质n代表第n层界面介质层的导热系数，n代表界面介质层所在层的序数，κ介质0为界面介质层的基础导热系数。
3.如权利要求1所述的具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件，其特征在于，所述热梯度定向收集器件为由十二个圆环结构和十一层圆环形的界面介质层组成多层的筒状结构；整个热梯度定向收集器件中的所有圆环结构和界面介质层同轴布置，任意两个相邻圆环结构之间均夹持一层界面介质层；所有圆环结构和界面介质层的材料比热容相同且横截面的形状和尺寸也相同，所有圆环结构的厚度相同，所有界面介质层的厚度相同；
十二个圆环结构的密度满足：
ρ2＝ρ3＝α2ρ1
ρ4＝ρ5＝α4ρ1
ρ6＝ρ7＝α6ρ1
ρ8＝ρ9＝ρ12＝α8ρ1
ρ10＝ρ11＝α10ρ1
其中，ρN表示第N层圆环结构的密度，N代表圆环结构所在层的序数，N＝1,2,…,12；
十二个圆环结构的导热系数满足：
Figure FDA0002936456240000031
其中，κN代表第N层圆环结构的导热系数，Cp代表圆环结构和介面介质的材料比热容，b代表每层圆环结构的厚度，d代表每层界面介质层的厚度，r代表圆环结构的内径，κ0为圆环结构的基础导热系数；
十一层界面介质层的密度均和第一层圆环结构的密度ρ1相同，十一层界面介质层的导热系数满足：
Figure FDA0002936456240000032
其中，κ介质n代表第n层界面介质层的导热系数，n代表界面介质层所在层的序数，κ介质0为界面介质层的基础导热系数。
4.如权利要求1所述的具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件，其特征在于，所述第一SSH模型耦合直链和第二SSH模型耦合直链包含的非对称耦合单元个数相同或不同。
5.如权利要求1所述的具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件，其特征在于，所述任意一个非对称耦合单元中，两个圆环结构的密度和比热容的乘积不相等。
6.如权利要求1所述的具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件，其特征在于，每一条SSH模型耦合直链相邻圆环结构的密度分布呈一种梯度关系，相邻界面介质层的导热系数分布呈另一种梯度关系。
7.如权利要求1所述的具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件，其特征在于，所述热梯度定向收集器件的第一SSH模型耦合直链和第二SSH模型耦合直链中，以所述中间界面介质层为中心面，中心面两侧各K个非对称耦合单元的材料参数呈镜像对称，其中K为N和M中的较小值。
8.如权利要求1～3任一所述的具有高鲁棒性的热梯度定向收集器件，其特征在于，将任意热梯度初始加载到器件任意一个或若干圆环结构上，各环温度梯度占比到达稳态时，器件上的热梯度都聚集于所述中间界面介质层两侧的两个第二圆环结构上。
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