基于中性夹杂的热幻觉斗篷机理研究

This project aims to design a kind of homogeneous isotropic thermal illusion cloak which can cancel or change the thermal disturbance caused by a thermal insulator (eg. a hole) or thermal perfect conductor and the cloak can find wide cost-effective applications in addressing practical issues of heat transfer blocking in many relevant industries such as mechanical engine systems and semiconductor devices. Because of the isotropic homogeneous property of the cloaking material, the preparation of cloaks designed based on the idea of neutral inclusions is more simply and feasible, the project will investigate the transient thermal transparent problem combined with the idea of neutral inclusions in micromechanics and define the inclusion as a thermal insulator or a perfect thermal conductor. Firstly, the theoretical formula of the thermal illusion cloak will be defined based on the idea of the neutral inclusion in this project, then we will investigate many illusion cloaks with different shapes combined with the conformal mapping method. Lastly, the project will conduct a detailed and careful numerical simulation computing and related experimental research to ensure the integrity and reliability of the entire research project. Such thermal cloaks can solve the disturbing problem caused by the embedded thermal insulators and perfect thermal conductors on the surrounding temperature field and issues created by the concentration of thermal stress generated in the whole structure. This project will initiate the proposal of a new technique of the thermal protection.

本项目旨在设计一种均匀各向同性的热幻觉斗篷，能够消除或改变某些半导体或者机械引擎等换热装置中的热绝缘体（如开口）或热良导体对装置温度场的扰动。考虑中性夹杂涉及的材料具有均匀各向同性性，便于制备，本项目将细观力学中的中性夹杂思想引入到热问题中，开展二维热绝缘体或热良导体的瞬态热幻觉斗篷机理的研究。首先根据中性夹杂思想推导热幻觉斗篷的一般设计公式；然后结合保角映射方法，选取不同的保角映射方程，设计出多种不同形状的热幻觉斗篷。最后，本项目将进行详尽细致的数值仿真运算以及相关的实验研究，以保证整个项目研究的完整性和可靠性。这种热幻觉斗篷能够解决热绝缘体和热良导体的存在对基体板温度场所产生的扰动问题以及热应力集中对整个结构的破坏问题。本项目的研究可以对新型热防护机理的提出起到抛砖引玉的作用。

新能源汽车电池工作环境的热防护问题亟待解决，如何实现电池在高温环境下的散热以及低温环境下的保温成为新能源汽车进一步推广的关键问题，同时，日常生活中的节能减排，航空航天、水下潜器的热防护领域均离不开新型热调控（结构）材料的注入。在日益成熟的航空航天领域，现役设备的热防护措施已不能满足日益严苛的工作和作战环境，更多新型的热防护措施亟待发掘。与此同时海洋成为世界各国争相占领的新战地。水中环境的复杂性使航空航天领域相关技术无法在水下环境一一复制，亟待提出新环境下的新方法。本课题所设计的热流透明工具、热流提速减速装置从新的角度寻求解决热防护问题的新途径，有助于我国航空航天领域的更进一步发展，并为水下无人潜航器等设备水中隐身提供新的思路和方向。.本项目在执行时间内基于中性夹杂理论设计制备椭圆形热电双场透明斗篷，并分析夹杂为热绝缘体或热良导体时的透明现象；基于坐标变换方法给出三维任意形状热流调控工具的一般设计公式，仿真结果表明变换点位置的选取将影响隐身斗篷内部的温度，为该装置工程应用时的具体设计提供了理论参考；结合数学微分思想和中性夹杂理论，给出任意形状热流透明工具的设计公式，并进行了数值仿真计算，仿真结果很好的证明了该设计方法的有效性和可行性；基于中性夹杂思想引入一种新型的等效方法，通过数值仿真验证该方法的正确性和一般性，以此为基础，成功设计并制备多物理场透明工具，使透明工具的适用环境更具一般性，从而向工程应用更进一步；为了进一步提高热电双场透明工具的精度，基于中性夹杂理论和新等效方法设计制备双层热电透明工具，所得实验结果和数值仿真结果吻合良好，验证了理论推导的正确性和可行性；利用新等效方法和复合材料等效介质理论，将材料的热导率和密度比热容乘积两个参数进行解耦分析，设计制备一种同时调控热导率和密度比热容乘积的热流提速减速装置，所得实验结果和仿真结果良好吻合，验证了理论推导的正确性。