任意横截面柱形热斗篷研究与设计

毛福春; 李廷华; 黄铭; 杨晶晶; 陈俊昌

doi:10.7498/aps.63.014401

摘要

基于变换热力学，导出了具有非共形任意横截面的柱形热斗篷热导率表达式，并在此基础上设计了具有非共形横截面的柱形热斗篷. 全波仿真结果表明，热斗篷迫使外部热流绕过斗篷，导致隐身区域热通量为零，从而具有热保护功能；同时，热流绕过斗篷后将恢复原来的温度场分布，使其具有完美热隐身功能. 此外，基于所导出的变换媒质热导率表达式，设计并求解了具有规则共形和非规则共形横截面的柱形热斗篷，发现它们同样具有热保护和完美热隐身功能. 这表明通过选择适当的边界函数，所得变换媒质热导率表达式可用于设计任意横截面柱形热斗篷，具有普遍的适用性，这种技术在计算机芯片、卫星和航天器等的热保护中有潜在应用.

关键词:

Abstract

On the basis of transformation thermodynamics, a thermal conductivity expression for cylindrical thermal cloak with arbitrary cross section is derived. Based on the expression, we design a thermal cloak with a non conformal section profile. Results of full wave simulation show that the cloak possesses heat protection function, since it is capable of guiding heat fluxes to travel around its inner domain, leaving the inner region untouched; meanwhile, the heat fluxes return to their original pathways, resulting in a perfect thermal invisible effect. Arbitrary shaped cylindrical thermal cloak with conformal or non-conformal cross section can be designed based on the derived thermal conductivity expression, and all of them have perfect thermal protection and invisibility functions. It is indicated that the derived conductivity expression is applicable to designing cylindrical thermal cloaks with an arbitrary cross section. The generality of this method has been confirmed, and it may have potential applications in the designing of thermal protection devices for computer chips and satellite, etc.

Keywords:

作者及机构信息

1.
云南大学无线创新实验室, 昆明 650091;

2.
北京邮电大学电子工程学院, 北京 100876

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：61161007，61261002）、云南省自然科学基金重点项目（批准号：2013FA006）和云南省自然科学基金（批准号：2011FB018）资助的课题.

Authors and contacts

1.
Wireless Innovation Lab of Yunnan University, Kunming 650091, China;

2.
School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61161007, 61261002), the Key Program of Natural Science of Yunnan Province, China (Grant No. 2013FA006), and the Natural Science Foundation of Yunnan Province, China (Grant No. 2011FB018).

参考文献

[1]	Pendry J B, Schurig D, Smith D R 2006 Science 312 1780
[2]	Leonhardt U 2006 Science 312 1777
[3]	Qu S B, Wang J F, Ma H, Xu Z, Zhang J Q 2013 Metamaterial Design and Applications in Stealth Technology (Beijing: Science Press) p174 (in Chinese) [屈绍波, 王甲富, 马华, 徐卓, 张介秋 2013超材料设计及其在隐身技术中的应用(北京: 科学出版社) 第174页]
[4]	Wu Q, Zhang K, Meng F Y, Li L W 2010 Acta Phys. Sin. 59 6071 (in Chinese) [吴群, 张狂, 孟繁义, 李乐伟 2010 596071]
[5]	Gu C, Qu S B, Pei Z B, Xu Z, Liu J, Gu W 2011 Acta Phys. Sin. 60 027801 (in Chinese) [顾超, 屈绍波, 裴志斌, 徐卓, 刘嘉, 顾巍 2011 60 027801]
[6]	Wang Z, Luo X Y, Liu J J, Dong J F 2013 Acta Phys. Sin. 62 024101 (in Chinese) [王战, 罗孝阳, 刘锦景, 董建峰 2013 62 024101]
[7]	Wang S Y, Liu S B 2012 Chin. Phys. B 21 044102
[8]	Guo P F, Li D, Dai Q, Fu Y Q 2013 Chin. Phys. B 22 054101
[9]	Yang J J, Huang M, Yang C F, Xiao Z, Peng J H 2009 Opt. Express 17 19661
[10]	Li T H, Huang M, Yang J J, Yu J, Lan Y Z 2011 J. Phys. D: Appl. Phys. 44 325102
[11]	Zheludev N I, Kivshar Y S 2012 Nat. Mater. 11 917
[12]	Pendry J B, Aubry A, Smith D R, Maier S A 2012 Science 337 549
[13]	Chen H Y, Chan C T 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 113001
[14]	Richard V C, Sébastein G 2013 Acoustic Metamaterials (Netherlands: Springer) pp197–218
[15]	Zhang S, Genov D A, Sun C, Zhang X 2008 Phys. Rev. Lett. 100 132002
[16]	Greenleaf A, Kurylev Y, Lassas M, Uhlmann G 2008 Phys. Rev. Lett. 101 220404
[17]	Yu Z Z, Feng Y J, Wang Z B, Zhao M J, Jiang T 2013 Chin. Phys. B 22 034102
[18]	Milton G W, Briane M, Willis J R 2006 New J. Phys. 8 248
[19]	Brun S, Guenneau, Movchan A B 2009 Appl. Phys. Lett. 94 061903
[20]	Chen T, Weng C N, Chen J S 2008 Appl. Phys. Lett. 93 114103
[21]	Narayana S, Sato Y 2012 Phys. Rev. Lett. 108 214303
[22]	Fan C Z, Gao Y, Huang J P 2008 Appl. Phys. Lett. 92 251907
[23]	Li J Y, Gao Y, Huang J P 2010 J. Appl. Phys. 108 074504
[24]	Guenneau S, Amra C, Veynante D 2012 Optics Express 20 8207
[25]	Guenneau S, Amra C 2013 Optics Express 21 6578
[26]	Schittny R, Kadic M, Guenneau S, Wegener M 2013 Phys. Rev. Lett. 110 195901
[27]	Han T C, Yuan T, Li B W, Qiu C W 2013 Scientific Reports 3 1593
[28]	He X, Wu L 2013 Appl. Phys. Lett. 102 211912
[29]	Guenneau S, Puvirajesinghe T M 2013 J. R. Soc. Interface 10 20130106
[30]	Yang T Z, Huang L J, Chen F, Xu W K 2013 J. Phys. D: Appl. Phys. 46 305102

施引文献

[1]	Pendry J B, Schurig D, Smith D R 2006 Science 312 1780
[2]	Leonhardt U 2006 Science 312 1777
[3]	Qu S B, Wang J F, Ma H, Xu Z, Zhang J Q 2013 Metamaterial Design and Applications in Stealth Technology (Beijing: Science Press) p174 (in Chinese) [屈绍波, 王甲富, 马华, 徐卓, 张介秋 2013超材料设计及其在隐身技术中的应用(北京: 科学出版社) 第174页]
[4]	Wu Q, Zhang K, Meng F Y, Li L W 2010 Acta Phys. Sin. 59 6071 (in Chinese) [吴群, 张狂, 孟繁义, 李乐伟 2010 596071]
[5]	Gu C, Qu S B, Pei Z B, Xu Z, Liu J, Gu W 2011 Acta Phys. Sin. 60 027801 (in Chinese) [顾超, 屈绍波, 裴志斌, 徐卓, 刘嘉, 顾巍 2011 60 027801]
[6]	Wang Z, Luo X Y, Liu J J, Dong J F 2013 Acta Phys. Sin. 62 024101 (in Chinese) [王战, 罗孝阳, 刘锦景, 董建峰 2013 62 024101]
[7]	Wang S Y, Liu S B 2012 Chin. Phys. B 21 044102
[8]	Guo P F, Li D, Dai Q, Fu Y Q 2013 Chin. Phys. B 22 054101
[9]	Yang J J, Huang M, Yang C F, Xiao Z, Peng J H 2009 Opt. Express 17 19661
[10]	Li T H, Huang M, Yang J J, Yu J, Lan Y Z 2011 J. Phys. D: Appl. Phys. 44 325102
[11]	Zheludev N I, Kivshar Y S 2012 Nat. Mater. 11 917
[12]	Pendry J B, Aubry A, Smith D R, Maier S A 2012 Science 337 549
[13]	Chen H Y, Chan C T 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 113001
[14]	Richard V C, Sébastein G 2013 Acoustic Metamaterials (Netherlands: Springer) pp197–218
[15]	Zhang S, Genov D A, Sun C, Zhang X 2008 Phys. Rev. Lett. 100 132002
[16]	Greenleaf A, Kurylev Y, Lassas M, Uhlmann G 2008 Phys. Rev. Lett. 101 220404
[17]	Yu Z Z, Feng Y J, Wang Z B, Zhao M J, Jiang T 2013 Chin. Phys. B 22 034102
[18]	Milton G W, Briane M, Willis J R 2006 New J. Phys. 8 248
[19]	Brun S, Guenneau, Movchan A B 2009 Appl. Phys. Lett. 94 061903
[20]	Chen T, Weng C N, Chen J S 2008 Appl. Phys. Lett. 93 114103
[21]	Narayana S, Sato Y 2012 Phys. Rev. Lett. 108 214303
[22]	Fan C Z, Gao Y, Huang J P 2008 Appl. Phys. Lett. 92 251907
[23]	Li J Y, Gao Y, Huang J P 2010 J. Appl. Phys. 108 074504
[24]	Guenneau S, Amra C, Veynante D 2012 Optics Express 20 8207
[25]	Guenneau S, Amra C 2013 Optics Express 21 6578
[26]	Schittny R, Kadic M, Guenneau S, Wegener M 2013 Phys. Rev. Lett. 110 195901
[27]	Han T C, Yuan T, Li B W, Qiu C W 2013 Scientific Reports 3 1593
[28]	He X, Wu L 2013 Appl. Phys. Lett. 102 211912
[29]	Guenneau S, Puvirajesinghe T M 2013 J. R. Soc. Interface 10 20130106
[30]	Yang T Z, Huang L J, Chen F, Xu W K 2013 J. Phys. D: Appl. Phys. 46 305102

[1]	苗钰钊, 唐桂华. 非封闭式热斗篷热防护特性. , 2024, 73(3): 034401. doi: 10.7498/aps.73.20231262
[2]	王子, 任捷. 周期驱动系统的非平衡热输运与热力学几何. , 2021, 70(23): 230503. doi: 10.7498/aps.70.20211723
[3]	廖天军, 吕贻祥. 热光伏能量转换器件的热力学极限与优化性能预测. , 2020, 69(5): 057202. doi: 10.7498/aps.69.20191835
[4]	沈珏, 刘成周, 朱宁宁, 童一诺, 严晨成, 薛珂磊. 非对易施瓦西黑洞的热力学及其量子修正. , 2019, 68(20): 200401. doi: 10.7498/aps.68.20191054
[5]	余波, 何秋燕, 袁晓. 任意阶标度分形格分抗与非正则格型标度方程. , 2018, 67(7): 070202. doi: 10.7498/aps.67.20171671
[6]	金肖, 王利民. 非晶材料玻璃转变过程中记忆效应的热力学. , 2017, 66(17): 176406. doi: 10.7498/aps.66.176406
[7]	夏舸, 杨立, 寇蔚, 杜永成. 非均匀背景中任意柱状热斗篷的研究与设计. , 2017, 66(11): 114401. doi: 10.7498/aps.66.114401
[8]	夏舸, 杨立, 寇蔚, 杜永成. 基于变换热力学的三维任意形状热斗篷设计. , 2017, 66(10): 104401. doi: 10.7498/aps.66.104401
[9]	米尔阿里木江, 艾力, 买买提热夏提, 买买提, 亚森江, 吾甫尔. 非对易相空间中谐振子体系热力学性质的探讨. , 2015, 64(14): 140201. doi: 10.7498/aps.64.140201
[10]	秦春雷, 杨晶晶, 黄铭, 胡艺耀. 基于拉普拉斯方程的任意形状热斗篷研究与设计. , 2014, 63(19): 194402. doi: 10.7498/aps.63.194402
[11]	李廷华, 毛福春, 黄铭, 杨晶晶, 陈俊昌. 基于变换热力学的任意形状热集中器研究与设计. , 2014, 63(5): 054401. doi: 10.7498/aps.63.054401
[12]	赵伟涛, 吴九汇. 平板在任意周期表面热扰动作用下的非Fourier热传导的求解与分析. , 2013, 62(18): 184401. doi: 10.7498/aps.62.184401
[13]	杨红卫, 钟万勰, 侯碧辉. 力学、热力学及电磁波导中的正则变换和辛描述. , 2010, 59(7): 4437-4441. doi: 10.7498/aps.59.4437
[14]	王红艳, 段文山. 对含有非热力学平衡离子的尘埃等离子体中孤波特性的理论研究. , 2007, 56(7): 3977-3983. doi: 10.7498/aps.56.3977
[15]	周史薇, 刘文彪. 非对易时空下Gibbons-Maeda dilaton黑洞和Garfinkle-Horowitz-Strominger dilaton黑洞的热力学性质. , 2007, 56(11): 6767-6771. doi: 10.7498/aps.56.6767
[16]	沈惠川. 分析热力学的应用：平衡态热力学中温度的相对论变换. , 2005, 54(6): 2482-2488. doi: 10.7498/aps.54.2482
[17]	肖兴国, 赵峥. 具有内禀自旋的荷电稳态轴对称非Kerr-Newman黑洞的热力学性质. , 1995, 44(5): 832-840. doi: 10.7498/aps.44.832
[18]	汪卫华, 白海洋, 张云, 陈红, 王文魁. Ni-Si多层膜中固态非晶化反应的热力学与动力学过程. , 1993, 42(9): 1499-1504. doi: 10.7498/aps.42.1499
[19]	李富斌. 非平衡涨落问题的微观唯象分析理论(Ⅰ)——一种新的广义不可逆热力学理论与热涨落中涨落—耗散表示式的非平衡修正. , 1989, 38(9): 1467-1474. doi: 10.7498/aps.38.1467
[20]	程开甲. 内耗的热力学研究(Ⅰ). , 1955, 11(2): 163-178. doi: 10.7498/aps.11.163

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