材料熱傳導問題中熱傳輸路徑的調(diào)控.pdf

1、熱流隱身問題是繼電磁波、聲波隱身問題迅速發(fā)展之后的又一新興領域。由于熱傳導方程和麥克斯韋方程同樣具有形式不變性，因此受電磁波隱身斗篷的啟發(fā)，科學家成功將坐標變換法推廣到熱力學領域，并設計制備出相應的熱流隱身斗篷，同時提出"變換熱力學"這一術(shù)語。由于瞬態(tài)熱傳導問題與瞬態(tài)電磁波傳輸問題存在質(zhì)的區(qū)別：前者不是波動問題，所以在研究熱流隱身問題時不需要考慮被研究目標的尺寸，即熱流隱身問題可以應用于任何需要特定、明確的高溫管理的地方，無論是微觀(如

2、微電子)或是宏觀層面。熱問題在人們的實際生活中幾乎隨處可見，小到人們的日常生活，大到國家的領先科技和國防安全，這些都促使科研工作者更加深刻、系統(tǒng)地研究熱流的控制問題。而熱流隱身問題的研究作為一個新興領域，更是熱流控制中的一個新的研究方向，因此本文將基于坐標變換法和中性夾雜思想全面系統(tǒng)地研究熱流隱身問題。
　　目前，傳統(tǒng)的熱流隱身斗篷雖然能夠保持斗篷內(nèi)部的溫度處處相同，但是卻無法調(diào)控該區(qū)域的溫度范圍，這將會嚴重限制熱流隱身斗篷的實際

3、應用。為了拓寬熱流隱身斗篷的應用范圍，豐富熱流隱身斗篷的可用選項，本文基于變換熱力學的概念，給出了二維任意形狀非奇異開口熱流隱身斗篷的設計方案，成功推導出這種開口斗篷各個區(qū)域中材料參數(shù)的精確表達式，并進行了數(shù)值驗證。理論推導和數(shù)值驗證均表明，開口熱流隱身斗篷在保留原有熱流隱身斗篷功能的同時，可以通過設計開口位置和大小調(diào)節(jié)斗篷內(nèi)部區(qū)域的溫度范圍。
　　鑒于實際問題中的物體大多都是三維立體的，為了使熱流隱身工具更具有實際應用意義，本文

4、利用坐標變換法把二維熱流隱身工具推廣到三維問題中，深入研究了三維任意形狀的熱流隱身工具的設計和數(shù)值驗證問題。以三維熱流變形器的設計過程為例，統(tǒng)一給出三維熱流集中器、三維熱流隱身斗篷、三維熱流收縮器、三維熱流擴大器和三維熱流變形器這幾種熱流隱身工具的設計方法。詳細推導了三維熱流變形器材料參數(shù)的一般表達式，并以此為基礎，針對各種熱流隱身工具的具體情況給出了具體分析，最后通過有限元仿真對每種熱流隱身工具的有效性都進行了數(shù)值驗證。
　　雖

5、然上述工作中所采用的坐標變換法理論基礎簡單，設計操作便利，并且可以實現(xiàn)任意形狀斗篷的設計，但是由坐標變換法設計的熱流斗篷的材料參數(shù)均具有非均勻各向異性特性，在實際的制備中需要采用等效介質(zhì)理論進行簡化處理，增加了工作量及制備難度。基于上述問題，本文將細觀力學中的中性夾雜思想應用于熱流隱身問題中，著重研究了規(guī)則形狀（圓柱、球和橢球）目標的熱流隱身工具。基于Milton給出的各種規(guī)則形狀涂層夾雜等效熱導率的理論公式，求出設計中性夾雜所需要的尺

6、寸和材料參數(shù)之間的關系，根據(jù)這些關系式即可方便地得到所需涂層的厚度和材料參數(shù)，而且可以根據(jù)不同的需求調(diào)節(jié)所需涂層的厚度和性能。因為中性夾雜具有不干擾基體中場的特殊性能，所以中性夾雜同樣能夠達到隱身的目的。除此之外，當中性夾雜和其它夾雜同時存在于基體中時，基體中的熱信號只能反映出其它非中性夾雜的存在，使其成為中性夾雜的障眼法，實現(xiàn)中性夾雜的熱幻覺。
　　為了使本文內(nèi)容更加充實、完整，在上述理論工作完成之后，本文還從實驗角度對熱流隱身