一种同时适用于传导、对流和辐射的热旋转装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于红外技术领域，具体为一种同时适用于传导、对流和辐射的热旋转装置。本发明专利技术的热旋转装置是通过坐标变换对特定的区域进行旋转变换得到，如将圆环形区域通过坐标变换旋转一个角度得到，并确定热旋转装置的材料参数，实现局域热流的方向调控，使其内部的局域热流发生旋转，同时不影响背景的温度分布。本发明专利技术不仅适用于稳态情形，也适用于瞬态情形。本发明专利技术通过有限元模拟验证该旋转器装置的可行性。由于传导、对流和辐射在自然界中随处可见，本装置具有广泛的应用价值，例如：可以改变热流方向实现废热的回收利用。

A kind of heat rotating device suitable for conduction, convection and radiation at the same time

【技术实现步骤摘要】
一种同时适用于传导、对流和辐射的热旋转装置
本专利技术属于红外
，具体涉及一种热旋转装置。
技术介绍
能源问题一直是人们关注的焦点，热能也不例外。众所周知，热传递有三种方式，即热传导、热对流和热辐射。因此，对其进行有效的操作对热管理具有特殊的意义。坐标变换作为一种通用的方法，促进了热学超构材料的快速发展，如热隐身斗篷、热聚集器、热旋转器、热伪装等。这些热学超构材料只考虑了热传导。近年来，一些研究考虑了热对流效应，以促进热学超构材料的发展。然而，现有的理论没有一个能处理传导、对流和辐射之间的耦合效应。事实上，辐射在热传导过程中从来不会缺席，因为正如斯蒂芬-玻尔兹曼定律所示的那样：温度不为零的物体总是会发出辐射。因此，提出一种同时控制传导、对流和辐射的方法是非常重要和迫切的。为此，本专利提出了变换全热学理论。这一理论也有助于我们在全热学中设计热旋转器件，可以准确控制中心内热通量的局部方向。理论推导经过了有限元模拟的验证，在稳态和瞬态下均表现出良好的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种能够同时适用于传导、对流和辐射的热旋转装置。本专利技术提出的能够同时适用于传导、对流和辐射的热旋转装置，是通过坐标变换对特定的区域进行旋转变换得到，如将圆环形区域通过坐标变换旋转一角度得到，并确定热旋转装置的材料参数，实现局域热流的方向调控，使其内部的局域热流发生旋转，同时不影响背景的温度分布。本专利技术不仅适用于稳态情形，也适用于瞬态情形。本专利技术中，所述通过坐标变换对特定的区域进行旋转变换，具体方式如下：考虑二维情况，对于热旋转装置，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分别是热旋转装置的内径和外径；公式(1)表示将一个圆形区旋转θ0角度；该坐标变换的Jacobian变换矩阵A可表示为：本专利技术中，所述确定热旋转装置的材料参数的方式如下：其中，热传导可以由傅里叶定律描述；热辐射可以由Rosseland扩散近似描述；热对流可以通过调控多孔介质的渗透率来控制。考虑热传导、热对流和热辐射的纯流体中，瞬态热输运过程的热力学演化过程由下式表示：其中，ρf,Cf,κf和vf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，βf为Rosseland平均消光系数，nf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，表示拉普拉斯算子，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由公式(4)描述：J2＝ρfCfvfT(6)辐射热流由Rosseland扩散近似描述：总热流JT为：JT＝J1+J2+J3(8)公式(3)和公式(4)满足坐标变换形式不变性，由雅可比矩阵A描述。则以上参数的变换规则为：即，变换后的折射率不发生改变nf′＝nf，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vf′＝Avf；其中，detA为Jacobian变换矩阵的行列式，Aτ为Jacobian变换矩阵的转置，nf，βf，κf,ρfCf和vf为没有变换前的相应参数。以上讨论是直接控制速度vf，但是实际应用中直接对速度做变换比较困难。所以本专利技术还讨论了利用调控多孔介质渗透率的方法来实现对速度的变换。可利用如下模型来描述流体。假设流体是不可压缩的且是低速的层流，多孔介质中的流体可以利用达西定律来描述：其中，ns为多孔介质的渗透率，μf为流体的粘滞系数，P为压强，则公式(3)和(4)可表示为：其中，为多孔介质的孔隙率，是多孔介质加上流体的平均值，ρs,Cs和κs分别表示多孔介质的密度、热容和热导率，为热辐射系数，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，表示拉普拉斯算子。ρf，Cf，κf，vf，nf的含义同上(分别表示流体材料的密度、热容、热导率、速度、相对折射率)；参数的变换与公式(9)类似，为：相比于公式(9)，其本质是相同那个的，只不过我们选择不对流体的参数做变换，而对多孔介质的参数做变换；另外公式(9)中的速度变换vf′＝Avf变为公式(9*)中对多孔介质的渗透率变换n′s＝AnsAτ/detA。本专利技术的优点：(1)本专利技术提出的方法可以同时适用于稳态和瞬态的情况；(2)本专利技术提出的方法利用坐标变换理论对热传导，热对流和热辐射三种传热方式同时进行调控；(3)本专利技术利用调控多孔介质渗透率的方法来实现对速度的变换。本专利技术通过有限元模拟验证该旋转器装置的可行性。由于传导、对流和辐射在自然界中随处可见，本装置具有广泛的应用价值，例如：可以改变热流方向实现废热的回收利用。附图说明图1是热旋转器的二维示意图。其中，内外径对应的环形区域即为热旋转器，可以发现热流发生了旋转，而且背景温度分布一直是均匀的，因此达到了热旋转的目的。图2是热旋转器的二维瞬态模拟图。其中，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vf沿+x方向。(e)-(h)的温度区间为300～1200K，速度方向vf沿+x方向。(i)-(l)的温度区间为300～1200K，速度方向vf沿-x方向。模拟尺寸大小为10×10cm2,R1＝2.4cm,R2＝3.6cm。背景参数为ρfCf＝106Jm-3K-1,nf＝1,vf＝10-5m/s,βf＝100m-1,κf＝1Wm-1K–1。热旋转器件的参数设置是根据公式(9)来设计，坐标变换由公式(10)设计，Jacobian矩阵由公式(2)决定。图3是利用公式(12)通过变换多孔介质的渗透率来等效地实现对速度的变换。其中，(a)为根据公式(12)变换多孔介质渗透率的结果。(b)为直接变换速度的模拟结果。具体实施方式下面结合具体实例和附图来详细说明本专利技术，但本专利技术并不仅限于此。热旋转器件的二维示意图展示在图1中，为内径和外径之间的环形区域，热流发生明显旋转，故称为热旋转器。在进行了理论推导后，本专利技术利用有限元模拟软件COMSOLMultiphysics进行模拟。二维热旋转瞬态模拟的结果见图2。其中，(a-d),(e-h)和(i-l)分别对应三种初始温度和初始速度设置的不同情况，分别需要80、30和50分钟到达稳态。在三种情况下都完美的展现了瞬态热旋转效果。热旋转器中的热流发生了明显的旋转，而且背景的温度分布均匀，热旋转器件的存在并没有影响背景的温度分布。其他参数可见附图说明，边界条件设置为高温热源于左边界、低温冷源于右边界，上下边界绝热。图2中展示的是直接对速度变换后模拟结果。但对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时适用于传导、对流和辐射的热旋转装置，其特征在于，是通过坐标变换对特定的区域进行旋转变换得到，即将圆环形区域通过坐标变换旋转一个角度得到，并确定热旋转装置的材料参数，实现局域热流的方向调控，使其内部的局域热流发生旋转，同时不影响背景的温度分布。/n

【技术特征摘要】
1.一种同时适用于传导、对流和辐射的热旋转装置，其特征在于，是通过坐标变换对特定的区域进行旋转变换得到，即将圆环形区域通过坐标变换旋转一个角度得到，并确定热旋转装置的材料参数，实现局域热流的方向调控，使其内部的局域热流发生旋转，同时不影响背景的温度分布。


2.根据权利要求1所述的热旋转装置，其特征在于，所述通过坐标变换对特定的区域进行旋转变换，具体方式如下：
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分别是热旋转装置的内径和外径；公式(1)表示将一个圆形区旋转θ0角度；该坐标变换的Jacobian变换矩阵A表示为：





3.根据权利要求2所述的热旋转装置，其特征在于，所述确定热旋转装置的材料参数的方式如下：
考虑热传导、热对流和热辐射的纯流体中，瞬态热输运过程的热力学演化过程由下式表示：






其中，ρf,Cf,κf和vf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，βf为Rosseland平均消光系数，nf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，表示拉普拉斯算子，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用傅里叶定律描述：

【专利技术属性】
技术研发人员：黄吉平，须留钧，杨帅，戴高乐，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31