基于变换光学理论的超材料微结构传热调控机理研究

Researches on meta-material micro-structure thermal device and its mechanism on controlling heat transfer based on transformation optics are the frontier research fields in physics and engineering recently. The high efficient controlling and regulating heat transfer in random space would be achieved, with designing the spatial distribution of heat conductivities in thermal device upon spatial transformation. This project proposal will investigate the critical fundamental issues in fabricating novel thermal devices with the theories of transformation optics and thermodynamics. Employing the multi-scale numerical simulation and experiments, the thermal properties of thermal cloak and other novel thermal devices will be analyzed, the singularities of local physical parameters in transformational space will be solved, the configuration optimization will be obtained and the mechanism of regulating heat transfer in random domain will be proposed. Meanwhile, the phonon transport equation upon space distortions will be established from the view of statistic thermodynamics. The mechanism on energy transport in nano-scale thermal cloak is to be investigated through combining nano-scale simulation and experimental measures. This project keeps abreast of international academic frontier and combines with application. Its findings can serve as theoretical foundation and design technology for controlling and regulating heat transfer efficiently in random domain, which show great significance in scholarism and application.

基于变换光学原理开展微结构超材料传热调控机理与构件设计技术的研究，是当前物理学和工程学领域的前沿问题。通过设计传热结构内热导率等参数分布，将实现任意空间内的高效热流调控。本项目基于变换光学理论，结合热力学原理对新型传热结构设计中的关键基础问题展开研究，通过理论分析、多尺度数值模拟与实验相结合的技术手段，研究包括热隐身斗篷等多类特殊热功能结构的传热特性，解决基于变换光学设计所引起的局部物性参数奇异性问题，提出结构优化参数，揭示任意空间内热流调控机理；从统计热力学角度出发建立基于变换光学原理的声子输运方程，通过数值模拟与实验相结合，研究微纳米尺度热隐身斗篷能量输运机理。本项目研究紧跟国际学术前沿，密切结合应用，研究成果可为实现任意空间内高效热流调控提供理论基础与设计技术，具有重要的学术意义和工程应用价值。

热流调控结构在能源的合理利用、节能减排、优化及设计新型能源设备、提出热管理的新方案等领域具有重要的潜在应用。本项目基于变换光学的微结构超材料热调控结构设计理论与技术，从理论及实验、结构及性能优化和特性调控等方面进行了深入研究，得到如下创新性结果：.首次将熵产分析方法引入基于空间变换理论的超材料结构与场调控的研究中，获得了一般性的局部熵产率表达式，并提出响应熵和有效热集中熵的概念，可以在不同环境参数下，预测并优化装置性能。.提出 “旋转—线性”映射，消除了传统变换光学方法中的奇异/极限参数，并将整体的空间变换过程整合到一个独立的坐标系中进行，避免了传统仿射（线性）映射的引入子坐标系统的问题。.扩展改进 “旋转—线性”映射，建立和验证任意结构（非共形）热斗篷以及定向的热幻象装置。并将其引入到双物理场复杂超材料结构设计领域，首次提出和验证了一种同时实现双物理场“源”离散阵列的方案。.设计并建立一种智能通量转移调节器，可在热场和直流电场中高效工作。借助离散化方法、有效介质理论、螺旋双金属片和其他控制设置，通过实验验证了其有效性。.提出穿孔方法搭建纳米级热斗蓬，并提出响应温度的概念评价斗篷结构的存在对背景温度场的扰动，研究了界面热传导的频率依赖性，给出了合理安排不同界面的规则。.建立了微纳米多孔材料从微米到纳米尺寸精确求解的全尺寸近似扩散的等效热辐射热导率计算方法，并利用傅立叶光谱仪实验测量了定向-半球透射比和反射比数据，验证了等效辐射热导率模拟的可靠性和预测关联式的有效性。.项目至今在热力学、传热学和材料科学领域核心期刊共发表论文56篇，其中SCI32篇，会议论文12篇，在国际国内学术会议上作邀请报告9次，已培养博士生3名，硕士生5名。本项目的研究结果可为能源的合理利用、节能减排以及先进热管理等方面提供重要的理论指导。