[发明专利]一种基于主动调控热源的二维对流热隐身斗篷设计方法

说明书

本发明涉及一种基于主动调控热源的二维对流热隐身斗篷设计方法，包括：建立三维坐标系x‑y‑z并确定该坐标系所围区域为设计区域，将热源分布区域z＝0平面划分为Z1、Z2和Z3区，其中，Z2区和Z3区为热源区，Z1不做处理；计算流场速度分布和流场背景温度；分别求解Z2、Z3区热源的直接问题、伴随问题、目标函数的导数、共轭系数、迭代方向系数、敏感度问题、迭代步长以及目标函数，并更新热源分布；计算Z2区和Z3区的复合目标函数。本发明根据流场流速和背景温度，通过在流道底部施加热源建立隐身斗篷，对特定区域内流动的流体加热或冷却，以实现流场内满足隐身斗篷功能的温度分布。

技术领域

本发明属于流体力学、传热学领域，具体涉及一种基于主动调控热源的二维对流热隐身斗篷设计方法。

背景技术

热流隐身问题是继电磁波、声波隐身等问题迅速发展之后又一新兴领域。由于热传导方程和麦克斯韦方程同样具有形式不变性，因此受电磁隐身斗篷(Pendry J B，et al，Science，2006，312(5781)：1780-1782)启发，坐标变换法被推广到传热学领域，通过物性参数的设计，开发出基于超材料的热隐身斗篷。然而，对于三种最基本的传热形式：热传导，热对流以及热辐射，超材料热斗篷目前仅能应用于热传导。如果将坐标变换法和超材料的设计理念应用于热对流，流体流过特定区域时，需设计具有非均匀各向异性的物性参数，而流出该区域需恢复原有物性参数，这一功能很难实现。因此，传统热斗篷的坐标变换法和超材料的设计理念无法实现热对流领域的热隐身斗篷。

发明内容

针对以上不足，本发明的目的在于提供一种基于主动调控热源的二维对流热隐身斗篷设计方法，通过在流道底部施加热源建立隐身斗篷，对特定区域内流动的流体加热或冷却，实现流场内满足隐身斗篷功能的温度分布，在斗篷区域外恢复原背景温度。

为实现以上目的，本发明的技术方案描述如下：

一种基于主动调控热源的二维对流热隐身斗篷设计方法，包括：

步骤S100：建立三维坐标系x-y-z并确定该坐标系所围区域为设计区域；将热源分布区域z＝0平面划分为Z1、Z2和Z3区，其中，Z2区和Z3区为热源区，Z1不做处理；将流体表面区域z＝L₅+L₆平面划分为Z4、Z5和Z6区，其中Z4区为被隐区域，Z5和Z6区为过渡区，其余区域为背景区域，L₅为液面厚度，L₆为流道底板厚度。

步骤S200：计算流场速度和流场背景温度T_g；

步骤S300：结合Z2区和Z3区热源强度值迭代更新后的值求解Z2区热源的直接问题获得全设计区域温度场T_c；求解Z2区热源的伴随问题以获得拉格朗日乘数分布；求解Z2区目标函数的导数、共轭系数、热源迭代方向系数及敏感度问题；求解Z2区热源迭代步长，并更新Z2区热源分布；

步骤S400：求解Z2区目标函数，若该函数值足够小到满足用户需要的精度，则进行下一步；否则返回步骤S300进行新一轮计算；

步骤S500：将Z2和Z3区热源强度值迭代更新后的值代入Z3区热源的直接问题方程，更新全设计区域温度场T_c；求解Z3区热源的伴随问题以获得拉格朗日乘数分布；求解Z3区目标函数的导数、共轭系数、热源迭代方向系数及敏感度问题；求解Z3区热源迭代步长，并更新Z3区热源分布；

步骤S600：求解Z3区热源目标函数，若该函数值足够小到满足用户需要的精度，则进行下一步；否则返回步骤S500进行新一轮计算；

步骤S700：求解Z2和Z3区的复合目标函数，若该函数值足够小到满足用户需要的精度，则输出Z2和Z3区热源，对其进行局部均匀化；否则返回步骤S300进行新一轮计算。