[论文解读] Designing thermal energy harvesting devices with natural materials through optimized microstructures

Qingxiang Ji, Xueyan Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 45被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于天然材料的热能收集装置通用设计框架，通过优化复合微结构实现。该方法结合了多尺度均质化理论与最优拉丁超立方设计及遗传算法优化，实现了类似于变换优化材料的有效热性能，通过有限元模拟展示了高性能且易于制造的装置。

ABSTRACT

Metamaterial thermal energy devices obtained from transformation optics have recently attracted wide attention due to their vast potential in energy storage, thermal harvesting or heat manipulation. However, these devices usually require inhomogeneous and extreme material parameters which are difficult to realize in large-scale applications. Here, we demonstrate a general process to design thermal harvesting devices with available natural materials through optimized composite microstructures. We apply two-scale homogenization theory to obtain effective properties of the microstructures. Optimal Latin hypercube technique, combined with a genetic algorithm, is then implemented on the microstructures to achieve optimized design parameters. The optimized microstructures can accurately approximate the behavior of transformed materials. We design such devices and numerically characterize good thermal-energy harvesting performances. To validate the wide-range application of our approach, we illustrate other types of microstructures that mimic well the constitutive parameters. The approach we propose can be used to design novel thermal harvesting devices available with existing technology, and can also act as a beneficial vehicle to explore other transformation optics enabled designs.

研究动机与目标

• 为解决在大规模应用中实现变换热力学所需的非均匀与各向异性热材料参数的挑战。
• 开发一种实用的设计方法，利用现有天然材料与复合微结构，近似理想变换热介质。
• 通过计算优化的微结构，实现高性能热能收集装置，同时最小化对外部场的扰动。
• 通过应用于多种微结构几何形态（包括复杂与非对称设计）验证该方法的通用性。
• 提供一种灵活且可扩展的设计框架，适用于除热系统外的其他基于波的超材料。

提出的方法

• 采用多尺度均质化理论计算周期性微结构的有效热导率张量。
• 使用最优拉丁超立方采样技术高效探索微结构参数的高维设计空间。
• 利用遗传算法优化微结构几何形状与材料属性，以最佳匹配目标变换热导率张量。
• 通过有限元模拟在稳态条件下验证优化装置的热能收集性能。
• 将该方法应用于多种基本元胞几何形态（包括层状、平移与环形结构），以证明其广泛适用性。
• 在优化过程中引入设计约束，如材料导热率与几何组分的边界限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用天然材料的复合微结构能否有效近似变换热力学所需的各向异性和非均匀热性能？
• RQ2 如何高效探索微结构的设计空间以实现最优热能收集性能？
• RQ3 在不依赖有效介质理论的前提下，复杂或非对称微结构几何形态在多大程度上可被用于模拟变换热介质？
• RQ4 利用现有天然材料优化的微结构可实现的最大热集中效率是多少？
• RQ5 所提出的优化框架能否推广至具有形式不变控制方程的其他基于波的超材料设计？

主要发现

• 优化后的微结构能准确近似变换介质的热行为，在热能收集装置中实现了高集中效率。
• 实现了约90%的最大集中效率，最优元胞面积分数为 $ f_1 = 0.34238 $ 和 $ f_2 = 0.91675 $。
• 该方法成功实现了使用导热率为300、400和600 Wm⁻¹K⁻¹的天然材料的热收集器设计，展示了材料灵活性。
• 即使在有效介质理论不适用的复杂结构（如环形结构）中，优化后的微结构仍实现了良好的收集性能，且对外部场扰动极小。
• 该方法在不同元胞设计（包括层状、平移与环形结构）中均表现出鲁棒性，证实其广泛适用性。
• 优化过程可整合实际约束条件，如材料属性与几何参数的边界限制，显著提升实际可行性。