热学隐身衣层状结构的设计、优化与实验研究

发布时间：2017-09-29 06:07

  本文关键词：热学隐身衣层状结构的设计、优化与实验研究

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【摘要】：热学超材料是近些年才提出的宏观调控热能的新方法,有望在热能的利用上大展拳脚。基于热学超材料的热学隐身衣极大地丰富了隐身技术领域,但是现有的热学隐身衣仅停留在概念验证阶段,最大的瓶颈是所需理想介质必须具有非均匀性、各向异性和内边界奇异性。基于“离散-等效”方法的层状结构是实现热学隐身衣的一种简单而有效的途径,然而其存在可设计形状简单、设计方法单一、所需组分材料多等问题。因此,针对热学隐身衣层状结构存在的问题,在理论设计、实验制备与测试方面对热隐身衣层状结构进行深入研究,对将热学隐身衣技术推向实用具有重要意义。首先,针对热学隐身衣层状结构可设计形状简单的限制,对二维圆柱形热学隐身衣层状结构的“离散-等效”方法进行了扩展和一般化,设计了二维椭圆柱形和复杂截面形状柱形热学隐身衣的层状结构,并利用传热仿真进行了层状结构的热学隐身效果验证。传热仿真结果证明了扩展和一般化的“离散-等效”方法是有效的,设计的层状结构具有预期的热隐身效果。然后,针对热隐身衣层状结构设计方法单一的问题,建立了二维圆柱形热学隐身衣的隐式变换理论,增强了层状结构设计的灵活性。定义了两个指标以更好地定量表征热学隐身性能,揭示了坐标变换形式对层状结构热隐身衣性能的影响机制。坐标变换形式直接控制原空间和变换空间的映射方式,影响隐身衣内热流分布,进而调控层状结构的热学隐身性能。提出了两种改善的二维圆柱形热学隐身衣层状结构,均具有良好的热隐身性能。最后,为了解决层状结构所需组分材料种类多的问题,对二维圆柱形热学隐身衣层状结构进行改进和多目标优化设计,得到了一种热学隐身性能优异同时制备难度低的层状结构,仅需六种组分材料。从现有材料库中找到所需的组分材料,制备了优化设计的层状结构,在均匀热流工况下测试。实验结果表明,制备的层状结构在稳态和瞬态情况下均具备热学隐身效果,但其热隐身性能具有时间依赖性。进一步研究发现,强对流传热限制了热学隐身衣层状结构的热调控作用,制备的热学隐身衣层状结构可能更适用于热传导为主要热能传递方式的情形,如小面积的微电子器件热防护领域。
【关键词】：热学超材料 热学隐身 层状结构 非线性变换 实验测试
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-22
• 1.1 研究背景和意义9-10
• 1.2 热学隐身衣理论方法的研究现状10-14
• 1.2.1 坐标变换方法11-13
• 1.2.2 散射抵消方法13-14
• 1.2.3 热流路径设计方法14
• 1.3 热学隐身衣的设计与实验的研究现状14-19
• 1.3.1 基于坐标变换方法的热学隐身衣的设计与实验14-18
• 1.3.2 基于散射抵消方法的热学隐身衣的设计与实验18-19
• 1.4 热学隐身衣研究现状评述19-20
• 1.5 本文研究的主要内容20-22
• 第2章 二维柱形热学隐身衣的层状结构设计22-39
• 2.1 引言22
• 2.2 二维圆柱形热学隐身衣的层状结构设计22-27
• 2.3 二维椭圆柱形热学隐身衣的层状结构设计27-33
• 2.3.1 二维椭圆柱形热学隐身衣的理论设计27-29
• 2.3.2 二维椭圆柱形热学隐身衣的层状结构及其特性29-33
• 2.4 二维复杂截面形状柱形热学隐身衣的层状结构设计33-37
• 2.4.1 二维复杂截面形状柱形热学隐身衣的层状结构设计33-35
• 2.4.2 二维复杂截面形状柱形热学隐身衣的层状结构特性分析35-37
• 2.5 本章小结37-39
• 第3章 基于非线性变换的二维圆柱形热学隐身衣层状结构39-50
• 3.1 引言39
• 3.2 隐式变换理论设计二维圆柱形热学隐身衣39-42
• 3.3 坐标变换形式对层状结构热学隐身性能的影响42-45
• 3.4 两种改善的层状结构45-49
• 3.4.1 基于三段线性坐标变换的层状结构45-47
• 3.4.2 基于隐身衣生成函数g(r)=r~(15)的层状结构47-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第4章 二维圆柱形热学隐身衣层状结构的优化与实验研究50-72
• 4.1 引言50
• 4.2 二维圆柱形热学隐身衣层状结构的优化50-55
• 4.2.1 优化任务50-51
• 4.2.2 试验方案及样本空间51-53
• 4.2.3 近似模型53-54
• 4.2.4 优化结果54-55
• 4.3 二维圆柱形热学隐身衣层状结构的制备与测试55-59
• 4.3.1 层状结构的制备55-57
• 4.3.2 层状结构的测试57-59
• 4.4 实验测试结果分析与讨论59-66
• 4.4.1 稳态热学隐身效果和性能分析59-62
• 4.4.2 瞬态热学隐身效果和性能分析62-66
• 4.5 对流传热对层状结构热学隐身效果和性能的影响66-71
• 4.6 本章小结71-72
• 结论72-73
• 参考文献73-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果76-78
• 致谢78

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本文编号：940377