[发明专利]基于变换热辐射和热传导理论设计的热聚集器装置

说明书

本发明属于能源和红外技术领域，具体为一种基于变换热辐射和热传导理论设计的热聚集器装置。本发明装置，采用变换热辐射方法，根据热聚集的要求，将特定区域的空间进行压缩变换，然后将空间压缩等价为材料的变换，实现物理空间上局域的热流增强，该局域即为热聚集器；其中，热流为辐射热流和传导热流的总和。辐射热流通过Rosseland扩散近似进行计算，传导热流通过Fourier定律进行计算。本发明具有广泛的实际应用价值，比如：提高太阳热能发电的效率、海水淡化的效率等等。

技术领域

本发明属于能源和红外技术领域，具体涉及一种能够将热流进行局域增强的装置，称为热聚集器。

背景技术

热传导、热对流和热辐射是自然界中常见的三种热输运方式。自从2008年变换热学提出以来，变换理论已经能够处理三种热能输运方式中的两种，即：热传导和热对流。遗憾的是，至今还未有相应的理论来处理热辐射问题。但是，热辐射问题又格外重要。因为根据Stefan-Boltzmann定律可知：只要物体有温度，就会向外辐射能量，也就是热辐射。随着能源问题的日益严重，太阳热辐射已经成为了研究的热点和重点，很多研究者致力于太阳热能发电、太阳能海水淡化、辐射制冷等方面的研究，目的就是为了能够调控并利用热辐射。因此，热辐射的重要性不言而喻。

与以往手段不同的是，本发明提出了一种新的方法来调控热辐射，即：变换热辐射理论。通过将特定区域的空间进行压缩变换，可以实现局域的热流增强，称该局域为热聚集器。与以往的热聚集器不同的是：本发明设计的热聚集器能够同时处理热传导和热辐射问题。这对高温物理有着重要的应用。因为在温度较高的情况下，热辐射将取代热传导成为主要的热能输运过程。如果像以前只考虑热传导因素，那么这些器件在高温热辐射主导的情况下失去作用。本发明提出的方案，能够同时处理针对热传导和热辐射的热聚集问题，对太阳能热辐射利用有着重要的作用。

发明内容

本发明的目的在于针对热辐射和热传导设计一种热聚集器装置，该装置能够使得局域热流得到显著的增强。

本发明设计的热聚集器装置，是基于变换热辐射和热传导理论的，即采用变换热辐射方法，根据热聚集的要求，将特定区域的空间进行压缩变换，然后将空间压缩等价为材料的变换，实现物理空间上局域的热流增强，该局域即为热聚集器；其中，所述热流为辐射热流和传导热流的总和。

本发明设计的热聚集器装置，适用于二维情形，也适用于三维情形。

本发明设计的热聚集器装置，适用于稳态情形，也适用于瞬态情形。

本发明设计的热聚集器装置，其中的辐射热流可以通过Rosseland扩散近似来进行计算，传导热流可以通过Fourier定律来进行计算。

下面将进一步阐述本发明装置满足的具体条件：

先考虑两类热输运方式，即：瞬态热辐射和热传导，此过程的温度演化过程由以下公式(1)决定：

其中，ρ和C分别表示材料的密度和热容，T代表温度，t代表时间，为拉普拉斯算子；

括号中第一项即为辐射热流J_rad，由Rosseland扩散近似给出：

括号中第二项即为传导热流J_con，由Fourier定律给出：

其中，β为Rosseland平均消光系数，n为相对折射率，σ为Stefan-Boltzmann常数(其值等于5.67×10^-8Wm^-2K^-4)；κ为材料热导率。