[论文解读] Thermal-null medium (TNM) : a novel material to achieve feasible thermodynamics devices beyond conventional challenges

Hooman Barati Sedeh, Mohammad Hosein Fakheri+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 40被引用 2

一句话总结

本文提出了一种热零介质（TNM），这是一种均匀且各向同性的材料，可通过变换热力学实现可行的热器件。与传统的各向异性和非均匀导热率不同，TNM在不同几何形状下均能保持一致的性能，从而实现无需重新计算材料参数的可重构热隐身罩、聚焦器和弯曲器件。

ABSTRACT

Recently, heat manipulation has gained the attention of scientific community due to its several applications. In this letter, based on transformation thermodynamic (TT) methodology, a novel material, which is called thermal-null medium (TNM), is proposed that enables us to design various thermal functionalities such as thermal bending devices, arbitrary shape heat concentrators and omnidirectional thermal cloaks. In contrary to the conventional TT-based conductivities, which are inhomogeneous and anisotropic, TNMs are homogeneous and easy to realize. In addition, the attained TNMs are independent of the device shape. That is if the geometry of the desired device is changed, there is no need to recalculate the necessitating conductivities. This feature of TNM will make it suitable for scenarios where re-configurability is of utmost importance. Several numerical simulations are carried out to demonstrate the TNM capability and its applications in directional bending devices, heat concentrators and thermal cloaks. The proposed TNM could open a new avenue for potential applications in solar thermal panels and thermal-electric devices.

研究动机与目标

• 克服传统变换热力学（TT）的局限性，后者要求使用非均匀且各向异性的导热率张量。
• 开发一种新型材料——热零介质（TNM），其为均匀且各向同性，简化制造与实现。
• 通过将材料特性与器件几何形状解耦，实现器件的可重构性，使同一TNM可适用于不同形状。
• 展示基于TNM设计的实用热功能，如热隐身、弯曲和聚焦。
• 为太阳能热板和热电能量转换器件等应用开辟新途径。

提出的方法

• 本研究采用变换热力学（TT）推导实现期望热功能所需的热导率张量。
• 提出一类新材料——热零介质（TNM），其在变换域中具有零有效热导率张量。
• TNM本质上是均匀且各向同性的，无需复杂的空间变化导热率分布。
• 该方法确保热响应在几何重构下保持不变，因为TNM的特性与器件形状无关。
• 采用有限元方法进行数值模拟，以验证弯曲器件、聚焦器和全向隐身罩中的热性能。
• 该方法利用热扩散方程与电磁波方程之间的数学等价性，设计热超材料。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种均匀且各向同性的热材料，利用变换热力学实现复杂的热功能？
• RQ2 如何在不重新计算材料参数的情况下，保持热器件在不同几何形状下的性能？
• RQ3 TNM在多大程度上可实现可重构热器件（如隐身罩和聚焦器）？
• RQ4 在太阳能热能和热电系统中使用TNM的实际意义是什么？
• RQ5 与传统TT基设计相比，TNM在材料可行性与实现方面是否更具优势？

主要发现

• 所提出的热零介质（TNM）为均匀且各向同性，相较于传统TT基的各向异性和非均匀材料，其制造更为简便。
• 基于TNM的器件在几何重构后仍能保持一致的热性能，无需重新计算导热率张量。
• 数值模拟证实了基于TNM的热弯曲器件、热聚焦器和全向热隐身罩的成功运行。
• TNM方法使设计在实际中可行的热器件成为可能，尤其适用于太阳能热板和热电转换应用。
• TNM与器件几何形状的独立性使其非常适用于可重构热系统。
• 该方法展示了利用更易工程化和制造的材料实现复杂热功能的可行路径。