【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系何立群課題組在熱超材料設(shè)計方法上，首次將熱源納入溫度坐標(biāo)變換框架內(nèi)，根據(jù)功率分布以及目標(biāo)溫度場直接確定區(qū)域內(nèi)材料所需的導(dǎo)熱系數(shù)張量分布，并提出了實現(xiàn)目標(biāo)溫度場的等價常規(guī)材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方法。研究成果以“Inverse Design of Active-Source Metamaterials for Thermal Camouflage with Arbitrary Active Sources”為題于4月15日發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》上。
 

圖 1 坐標(biāo)變換框架下求解有源傅里葉傳熱方程的兩步法
 

　　熱超材料(Thermal Metamaterials)是一類人工設(shè)計的熱學(xué)材料，目的是通過設(shè)計材料熱傳輸性質(zhì)來規(guī)劃材料內(nèi)的熱流路徑，適用于那些常規(guī)熱管路系統(tǒng)難以勝任的熱傳輸管理場合，比如熱隱身、熱聚焦，甚至熱幻覺等特殊熱功能(圖1a)。在數(shù)學(xué)上，熱超材料設(shè)計就是根據(jù)目標(biāo)溫度場，對無源傅里葉傳熱方程進(jìn)行坐標(biāo)變換，從而獲得材料熱傳輸物性張量空間分布。但在熱應(yīng)用中，無論是能源高效率熱利用還是集成電路的高效散熱，熱源管理才是問題的核心。為此，作者成功研究了坐標(biāo)變換框架下求解有源傅里葉傳熱方程的兩步法(圖1b-e)，并通過設(shè)計典型熱功能器件及其新形式，從理論到實驗證明了新理論的兼容性與擴(kuò)展性(圖2)。本文工作為熱超材料與熱源緊密結(jié)合，實現(xiàn)能量收集部件、高功率散熱部件等結(jié)合熱超材料的一體化設(shè)計提供了通用設(shè)計理論。
 

　　論文第一作者為熱科學(xué)和能源工程系研究生曹先容、童子峰以及副研究員年永樂博士，浙江大學(xué)成正東教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)何立群副教授為通訊作者。該工作得到科技部重點研發(fā)項目資助(2021YFF0601004-01)。
 

圖 2 坐標(biāo)變換框架下不同熱源形狀下的熱超材料設(shè)計