任意横截面柱形热斗篷研究与设计

基于变换热力学,导出了具有非共形任意横截面的柱形热斗篷热导率表达式,并在此基础上设计了具有非共形横截面的柱形热斗篷.全波仿真结果表明,热斗篷迫使外部热流绕过斗篷,导致隐身区域热通量为零,从而具有热保护功能;同时,热流绕过斗篷后将恢复原来的温度场分布,使其具有完美热隐身功能.此外,基于所导出的变换媒质热导率表达式,设计并求解了具有规则共形和非规则共形横截面的柱形热斗篷,发现它们同样具有热保护和完美热隐身功能.这表明通过选择适当的边界函数,所得变换媒质热导率表达式可用于设计任意横截面柱形热斗篷,具有普遍的适用性,这种技术在计算机芯片、卫星和航天器等的热保护中有潜在应用.     

基于拉普拉斯方程的任意形状热斗篷研究与设计

如何灵活地控制和操纵热流是目前研究的热点.本文基于拉普拉斯方程提出了一种设计任意形状热斗篷的方法.对于形状规则的热斗篷,在特定边界条件下求解拉普拉斯方程得到了斗篷区域材料的热导率分布解析表达式;对于不规则形状的热斗篷,通过数值求解拉普拉斯方程得到了斗篷区域材料的热导率参数分布.全波仿真结果表明,所设计的二维和三维任意形状热斗篷内部隐身区域的热通量为零,从而具有热保护功能;同时,热流绕过斗篷后温度场恢复原来的分布,实现了完美隐身功能.这项研究为解决热斗篷内外边界非共形问题提供了一种可行的方法,对热保护器件的设计和制备有指导意义.     

圆柱形热集中器理论、仿真和实现

作为一种高效的热能收集与俘获技术,热集中器最近引起了研究者的关注.本文从热传导方程和坐标变换关系出发,导出了圆柱形热集中器温度分布的解析表达式,并通过与COMSOL数值仿真结果比较证实了表达式的正确性.分析了热集中器性能与材料各向异性和器件几何结构二者之间的联系,结果表明,包层热超材料的各向异性越大,集中器的热集中性能越好;包层与内核的半径比越大,集中器的热聚焦能力越强.利用包层与背景媒质之间的温度关系,进一步研究了用常规材料实现热集中器的方法,通过将两种常见的天然材料沿角向按周期交替排列并调整各自面积的大小,可观察到不同程度热集中现象.     

基于曲面基底偏振复用超表面的全息和隐身技术

共形超表面可以打破几何形状与光学功能之间的限制,可以显著改善任意曲面物体的光学特性,进而将超表面功能拓展到具有任意形状的组件中。当前尚未报道将偏振复用技术运用到共形超表面从而实现多偏振通道的多功能设计。文章设计了一种曲面基底的偏振复用超表面,基于传输相位调制原理设计了共形超表面的单元结构,使得超表面对不同偏振状态的入射光实现不同的相位调制,例如实现曲面全息和光学隐身等功能。这种共形超表面设计灵活性强,可以嵌入到各种非平面系统实现多功能,在军事安全、可穿戴电子设备等领域具有广泛应用前景。     

非均匀背景中任意柱状热斗篷的研究与设计

在变换热力学的基础上,通过坐标变换的方法严格推导出在层状背景和渐变背景下二维任意形状热斗篷导热系数的通解表达式,并在此基础上设计出非均匀背景下二维非共形热斗篷.全波仿真结果表明:在不同背景下,热流均能绕过保护区域流出,保护区域的温度保持不变,而且热斗篷外的温度场并没有破坏,具有很好的热保护和热隐身的效果.这一方法考虑到背景的复杂性,更加贴近工程实际应用,为未来灵活控制热流传递提供了一种可行的方法,对目标热隐身和热保护具有重要借鉴意义.     

截面形状对快电子激发纳米双线表面等离激元的影响

采用边界元方法研究了快电子在金属纳米双线中激发间隙表面等离激元(SPP)的性质,比较了在不同横截面形状(包括圆形、尖劈形和不规则形状)下电子所激发SPP的不同.研究表明:在以上波导结构中,快电子都能激发具有较长传播距离和较好局域性的低阶单级-单级耦合的间隙等离激元模式;同时通过对波导无量纲价值参数的比较,发现快电子在纳米双线中激发间隙等离激元对双线波导的横截面形状要求不高,横截面形状真正影响的是高阶等离激元模式的激发,而且快电子在截面形状为尖劈的双线波导中能激发局域性更强的间隙SPP.该研究将对实验中利用 关键词： 表面等离激元 间隙模式 金属纳米波导     

一种有场旋转和集中功能的新型多功能电磁器件的设计与研究

基于变换光学理论设计了一种新型的多功能电磁器件—旋转集中器.它以特殊的方式引导电磁波使其传播方向在器件核心区发生指定角度的旋转,并同时实现电磁场能量向该核心区的集中.针对提出的三种等效的旋转集中器结构,分别推导了相应的本构参数表达式,并利用有限元软件对三种结构分别进行了全波仿真.仿真结果验证了本构参数表达式的正确性.这三种不同的结构中,前两种结构由三层介质构成,后一种简化为两层介质.对于给定的任意旋转角度和能量集中率,三种结构可以使电磁场发生等效的传播方向旋转和能量集中两种效果.这些结果有助于对旋转器和集中器机理的进一步理解,并为复合功能器件的设计奠定了更充分的理论基础.本文提出的旋转集中器在设计高效率接收天线和特殊电路封装互联器件等方面都有潜在的应用前景.     

光热偏转检测技术自动测量的研究

介绍了光热偏转技术自动测量材料热物性的原理及实验方法。根据光热偏转检测理论建立了一套自动检测系统,从自动控制、数据采集和数据处理等方面实现了光热偏转检测技术的自动化测量。设计出了步进电机自动控制和数据处理软件。利用该系统对钛酸锶钡材料的热扩散率进行了测量,发现随着掺杂量铈的增加,钛酸锶钡的热扩散率逐渐减小,当掺杂量铈增加到一定值时,其热扩散率又开始增加。     

亚表面异质缺陷对功能梯度材料表面温度场的影响

基于双曲型热传导方程,采用镜像法和波函数展开法,求解了含亚表面异质圆柱缺陷的半无限功能梯度材料的表面温度场,给出了功能梯度材料中热波散射的一般解.分析了亚表面异质圆柱缺陷的几何参数(如埋藏深度)和热物理参数(如导热系数、热扩散长度、热扩散率及热弛豫时间等)对功能梯度材料表面温度场的影响.温度波由调制的超短脉冲激光在功能梯度材料表面激发,异质圆柱缺陷表面的边界条件为导热边界.研究结果可望为功能梯度材料的红外热波无损检测、导热反问题提供计算方法和参考数据.     

运用光声压电技术测定固体热扩散率

根据简化的热弹理论模型,运用光声压电技术测定团体材料的热扩散率。在优化的实验条件下,实现了对Al_2O_3短纤维增强铝合金基SAE321的复合材料Al_2O_3x/SAE321热扩散率的测量。结果表明,该方法简单快捷,不但能准确地测量均匀固体的热扩散率,而且能有效检测微观不均匀材料的等效热扩散率。     

基于变换热力学的三维任意形状热斗篷设计

在变换热力学的基础上,通过坐标变换的方法,推导出三维任意形状热斗篷导热系数的通解表达式,并进行了全波仿真验证.结果表明:热流均能绕过保护区域流出,保护区域的温度保持不变,而且热斗篷外的温度场并没有破坏,具有很好的热保护和热隐身的效果.这一方法把变换热力学从二维拓展到三维,具有普遍的适用性.同时,这种技术为热流流动路径和目标温度场的控制奠定了理论基础,在微芯片、电动机的保护以及目标热隐身上有潜在应用.     

Ellipsoidal Thermal Concentrator and Cloak with Transformation Media

Thermal concentrators and cloaks with ellipsoidal shapes are designed by utilizing the transformation thermotics method and finite element simulations.The thermal conductivities for the concentrator and cloak are directly derive in Cartesian coordinates.The simulation results show that the ellipsoidal thermal concentrator can focus heat flux into a central region and that the ellipsoidal thermal cloak can guide heat flux around the cloaked region smoothly without disturbing the external temperature distribution and heat flux.The present method can be extended to design arbitrarily shaped thermal metadevices with novel properties.     

A transformation theory for camouflaging arbitrary heat sources

Camouflage devices have attracted intensive research interest for their significant applications. However, most camouflage devices are specifically designed according to target heat sources. Here, by applying the transformation thermotics approach, we develop a coordinate transformation, and design an unspecific camouflage device which can camouflage arbitrary heat sources into a circular one with an anisotropic shell. We verify the ability of our unspecific camouflage device with both steady and transient simulations. We also find the “apparent negative thermal conductivity” under certain conditions without violating the second law of thermodynamics. To ensure the feasibility, we further put forward the effective medium approximation for sample fabrication, and only two natural materials are required. Our results have relevance to the different applications of infrared misleading, uniform heating, and so on; they may also provide guidance to the research on other diffusive fields, such as magnetostatic and electrostatic fields.     

Three-dimensional thermal illusion devices with arbitrary shape

Since the concept of invisible cloak was proposed by Pendry and Leonhardt in 2006, many researchers have applied the theory of coordinate transformation to thermodynamics and overcome the complexity of inhomogeneous and anisotropic of material parameters. However, only two-dimensional(2 D) thermal illusion devices are researched recently. According to this situation, our study focuses on three-dimensional(3 D) thermal illusion devices including shrinker(or invisible cloak),concentrator, amplifier, reshaper, and rotator with arbitrary shape in a general way. In this paper, the corresponding material parameters of thermal illusion devices mentioned above are derived based on the theory of transformation thermodynamics and the simulated results agree well with the theoretical derivations. In addition, the conventional invisible cloak just controls the temperature gradient rather than the temperature value which is more concerned in physical applications. Here,we find that the temperature value of the cloaked object can be controlled by adjusting the location of the original point of the coordinate system.     

基于超材料的定向传热结构研究与设计

在热斗篷研究的基础上, 提出定向传热结构的研究. 基于变换热力学, 采用坐标斜变换推导了定向传热结构热导率分布的表达式. 数值计算结果表明, 外部热流流经定向传热区域时, 热流向设计的高温面流动, 而设计的低温面温度较低. 此外, 在导出的热导率分布表达式的基础上, 进一步进行坐标旋转变换, 得到的热导率表达式只有相互垂直的两个分量. 计算结果表明, 沿高温面法向的热导率增大时, 传热效率提高, 而且经过坐标旋转变换后, 高温面与低温面的温差增大. 定向传热在红外隐身、热防护领域具有潜在的应用价值.     

热超构材料：几何结构、工作机制与新奇性质

因为在热保护、热探测和热管理领域存在重要的应用价值,自由操控宏观热流一直是人类的 一个梦想。热超构材料正是为此目的应运而生,它是电磁超构材料在热学领域的延伸。在此,我将 综述该领域自2008 年诞生以来取得的若干研究进展,其将主要包括以下新奇热现象或功能器件： 热隐身;热聚集;热旋转;宏观热二极管;热伪装;热透明;热晶体;环境温差中零能耗保温;宏 观热网络中反常热传导;热对流隐身、聚集、伪装;热辐射制冷。我将介绍与之相关的微观或宏观 传热机制,这些机制可以通过以下理论或方法来理解或阐述：变换热学理论、Laplace 方程、热声 子能带理论、相变理论、变换热对流理论、热辐射制冷理论。我也将介绍这些材料从基础研究到工 业应用的发展前景。     

Design of square-shaped heat flux cloaks and concentrators using method of coordinate transformation

A square-shaped heat flux cloak and a square-shaped heat flux concentrator have been designed theoretically according to the invariance symmetry of steady state thermal conductive equation. The direction of heat flux in these devices can be modulated as desired. Using the method of coordinate transformation, the inhomogeneous and anisotropic thermal conductivity in the transformation region have been acquired. Two-dimensional finite element simulations were performed to confirm the theoretical results.