基于热超构材料的导热优化控制研究

Thermal metamaterials, which have novel heat conduction characteristics, have been applied to manipulate heat conduction in simple regions to realize thermal cloak. Due to the lack of the heat conduction catachrestic and mechanism of manipulation, the application of the metamaterials is limited in area of heat conduction optimization and manipulation. In this research, heat conduction characteristic and structure design method of thermal metamaterials are investigated through theoretical, numerical and experimental methods, which will be used to realize the heat conduction optimization and control. The relationship between the anisotropic thermal conductivity and the structure of thermal metamaterial will be set up based on effective medium theory, and then it will be verified by numerical modeling. Starting from the Fourier’s law, an anisotropic heat conduction model will be established through the coordinate transformation method. Based on this model, the effect of anisotropy on heat conduction will be studied numerically, and the results will be used to build the regulation rules of anisotropy to heat conduction. Based on the anisotropic heat conduction model, the mathematical models for heat conduction optimization and manipulation will be established, and the distributions of thermal conductivity of metamaterials will be given theoretically. Then, material structures design and numerical verification will be carried on, and for two-dimensional heat conduction, metamaterial will be fabricated and validation experiment will carried on. This research will enhance our understanding on heat conduction behavior of materials with complicated patterns, and improve the development of theory and method for heat conduction optimization and manipulation.

热超构材料具有新颖的导热特性，已被用于简单区域的导热控制来实现热学隐身等。但由于对其导热特性和调控机理认识的缺乏，其在导热优化控制领域的应用受到限制。本项目将以热超构材料为研究对象，通过理论、仿真和实验相结合的方法，研究其导热特性和结构设计方案，从而实现利用超构材料对导热进行优化控制。基于有效介质理论建立热超构材料各向异性热导率与材料几何结构的关系，并通过数值仿真进行验证。从傅里叶导热定律出发，利用坐标变换方法，建立反映超构材料各向异性特性的导热模型；基于此模型数值研究各向异性特征对导热行为的影响，分析建立各向异性特点对导热的控制规律。基于各向异性导热模型，建立导热优化控制问题的数学模型，并从理论上给出满足目标的超构材料的热导率分布，对其进行结构设计和数值验证,并对二维导热情形进行材料加工和实验验证。此项研究将加深人们对结构复杂材料的导热行为的理解，推动导热优化控制理论和方法的进一步发展。

热超构材料具有新颖的导热特性，可用来设计各种新颖的导热控制装置，从而控制导热过程中能量的流动。对热超构材料的研究是当前传热学、物理学和材料科学的交叉产生的研究热点。近年来，在国内外不同课题组的努力下，该方向得以快速发展。本项目以热超构材料为研究对象，通过理论、仿真和实验相结合的方法，研究其导热特性和结构设计方案；基于有效介质理论建立了热超构材料各向异性热导率与材料几何结构的关系；从傅里叶导热定律出发，利用坐标变换方法，建立了反映超构材料各向异性特性的导热模型；基于热超构材料，设计了不同的导热装置用于不同目的的导热调控。尤为重要的是，在本项目中我们给出了两种新型导热装置的设计方法。我们设计的热源位置伪装装置可以让某一位置热源产生的温度场看起来像热源在一个虚拟位置产生的，这种装置有可能用于发动机、反应堆或其他目标物体在导热领域的位置伪装，从而误导探测设备，或者实现温度场的调控。我们提出的准隐身导热装置可以实现目标物体的隐身，相比于以往的热隐身装置，我们的方法使得装置具有更加简单的参数和更广的适用性，便于工程实现和在不同情况下使用。这种简单的准隐身装置可以用来减小器件中的热应力、提高温度探测器测量准确性及调控物体温度场等。这些结果表明，热超构材料可以被广泛地应用于各种导热控制和优化过程中。本项目的研究为导热控制和优化问题的解决提供了可能的思路和方法。