一种基于超材料的多源热流调控方法、系统、终端及介质

1.本发明涉及多源热流调控技术领域，尤其涉及一种考虑物体具有多热源以及温度场不均匀，并可较快获得较低温度的理想温度场分布的多源热流调控方法，具体为一种基于超材料的多源热流调控方法、系统、终端及介质。


背景技术：

2.由热力学第二定律可知，热量总是沿高温物体/区域向低温物体/区域进行传播，当结构简单、材料分布均匀、热源单一时，热流传播路径简单、规则，形成的温度场简单且分布均匀。然而，当存在多个热源或物体结构复杂时，导致热流传播路径不再是简单、规则的直线，且形成的温度场呈不均衡分布，当物体内部存在两个热源，则物体的热流传播路径为曲线，此时的等温线也呈不规则曲线分布，如图1，并且物体部件结构如果不规则，内部存在较多孔洞，在受到内、外多种热源时，其内部热流传播路径不规则，温升和温度场分布情况也复杂，如何对多热源结构进行内部传播路径进行有效调控，使得温度场能够均衡，现有技术中没有有效的解决方案。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于超材料的多源热流调控方法、系统、终端及介质，以解决现有技术中无法有效控制多热源在结构内的传递，以及无法均衡温度场的技术问题。
4.本发明是通过以下技术方案来实现：
5.一种基于超材料的多源热流调控方法，包括如下步骤：
6.步骤1，建立基于超材料的多源热流模型；
7.步骤2，根据材料的热流传播路径进行坐标变换，并将坐标变换后的材料坐标参数输入至基于超材料的多源热流模型内计算得到材料的热导率；
8.步骤3，将材料的热导率输入至超材料的多源热流的瞬态仿真内，实现对超材料的多源热流调控工作。
9.优选的，步骤1中，基于超材料的多源热流模型根据无源热传导方程在物理变换空间的形式不变性，其中无源热传导方程的计算公式如下：
[0010][0011]
其中，表示梯度算符,κ是媒质的热导率,t是温度；ρ为密度，c为热容；
[0012]
在无源热传导方程在物理变换空间的形式不变性的具体的公式如下：
[0013][0014]
其中，表示在变换空间求梯度；κ'和t'分别为变换空间媒质的热导率和温度；ρ'
和c'分别为变换空间的密度和热容。
[0015]
进一步的，变换空间的密度和热容的计算公式如下：
[0016][0017]
变换空间媒质的热导率的计算公式如下：
[0018][0019]
其中，j为雅可比变换矩阵,j
t
是j的转置,det(j)是矩阵的行列式
[0020]
雅可比变换矩阵的计算公式如下：
[0021][0022]
其中，(x'，y')表示变换空间，(x，y)表示物理空间，为求偏导。
[0023]
优选的，步骤2中，坐标变换包括坐标平移变换和坐标压缩变换，其中坐标平移变换为将热量沿轴线平移至一端距离，改变原始热流的传播路径；坐标压缩变换利用伸缩变换原理，将热量进行宽度上的压缩，依次将热量集中在设定区域内。
[0024]
进一步的，坐标平移变换前后的坐标关系式如下：
[0025]
x
′
＝x
[0026]
y'＝y-xtan(θ)
[0027]
将平移后的坐标输入至基于超材料的多源热流模型内，得到平移变换后的雅可比矩阵和变换空间媒质的导热率；
[0028]
其中平移变换后的雅可比矩阵公式如下：
[0029][0030]
平移变换后的变换空间媒质的导热率的计算公式如下：
[0031]
κ
′
xx
＝κ
[0032]
κ'
xy
＝-tan(θ)κ
[0033]
κ'
yy
＝(tan2(θ)+1)κ
[0034]
其中，θ为平移角度。
[0035]
进一步的，坐标压缩变换前后的坐标关系式如下：
[0036]
x
′
＝x
[0037]
[0038]
其中，b1和b为压缩宽度，c为压缩距离；
[0039]
将压缩后的坐标输入至基于超材料的多源热流模型内，得到压缩变换后的雅可比矩阵和变换空间媒质的导热率；
[0040][0041]
压缩变换后变换空间媒质的热导率为：
[0042][0043][0044][0045]
其中，b1和b为压缩宽度。
[0046]
优选的，步骤3中，仿真条件如下：
[0047]
ω'区域以外的区域材料为铜，常温下铜的密度ρ＝8960kg/m3，导热率κ＝400w/(m
·
k)，热容c＝385j/(kg
·
k)，边界条件设置：所有区域初始温度为环境温度293.15k，oa和ac边为对流换热边界，传热系数为h＝10w/(m2·
k)；模型左边具有两个边界热源，上方热源数值为40000w/m3，下方热源为10000w/m3。
[0048]
一种基于超材料的多源热流调控系统，包括
[0049]
模型建立模块，用于建立基于超材料的多源热流模型；
[0050]
数据处理模块，用于根据材料的热流传播路径进行坐标变换，并将坐标变换后的材料坐标参数输入至基于超材料的多源热流模型内计算得到材料的热导率；
[0051]
仿真模块，用于将材料的热导率输入至超材料的多源热流的瞬态仿真内，实现对超材料的多源热流调控工作。
[0052]
一种移动终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述所述一种基于超材料的多源热流调控方法的步骤。
[0053]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述一种基于超材料的多源热流调控方法的步骤。
[0054]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0055]
本发明中提供了一种基于超材料的多源热流调控方法，利用热传导方程的形式不
变性，通过坐标变换来实现导热材料的本构参数的变换，从而控制热流量在物理空间的分布。多源热流调控方法是在热流传播路径控制方法研究的基础上，针对物体受内外多种热源的综合影响，以及温度场不均匀，进而造成不规则变形的情况，建立基于超材料的多源热流调控方法，基于坐标平移变换和压缩变换，推导导热结构材料的热导率分布，实现热流从高温区域向低温区域沿指定方向的可控传播，对多热源在结构内的传递的有效调控，使得多热流温度场得到了均衡控制。
附图说明
[0056]
图1为现有技术中多热源下热流传播路径示意图。
[0057]
图2为本发明中基于超材料的多源热流调控方法的流程图；
[0058]
图3为本发明中基于超材料的多源热流调控示意图；
[0059]
图4为本发明中基于坐标平移变换的热流调控示意图；
[0060]
图5为本发明中基于坐标压缩变换的热流调控示意图；
[0061]
图6为本发明中120s无热流调控的温度分布图；
[0062]
图7为本发明中120s平移45
°
后的温度分布图；
[0063]
图8为本发明中120sb1＝0.05m,c＝0.15m后的温度分布图。
具体实施方式
[0064]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0065]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0066]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0067]
本发明的目的在于提供一种基于超材料的多源热流调控方法、系统、终端及介质，以解决现有技术中无法有效控制多热源在结构内的传递，以及无法均衡温度场的技术问题。
[0068]
具体的，根据图2所示，该基于超材料的多源热流调控方法，包括如下步骤：
[0069]
步骤1，建立基于超材料的多源热流模型；
[0070]
具体的，受“热斗篷”工作原理启发，开展材料参数对热量流动特性影响规律的研究。热量从高温区域流向低温区域，这个在固体中热量扩散的过程可以用热传导方程进行描述，基于超材料的多源热流模型根据无源热传导方程在物理变换空间的形式不变性，其
中无源热传导方程的计算公式如下：
[0071][0072]
其中，表示梯度算符,κ是媒质的热导率,t是温度；ρ为密度，c为热容；
[0073]
在无源热传导方程在物理变换空间的形式不变性的具体的公式如下：
[0074][0075]
其中，表示在变换空间求梯度；κ'和t'分别为变换空间媒质的热导率和温度；ρ'和c'分别为变换空间的密度和热容。
[0076]
其中，变换空间的密度和热容的计算公式如下：
[0077][0078]
变换空间媒质的热导率的计算公式如下：
[0079][0080]
其中，j为雅可比变换矩阵,j
t
是j的转置,det(j)是矩阵的行列式
[0081]
雅可比变换矩阵的计算公式如下：
[0082][0083]
其中，(x'，y')表示变换空间，(x，y)表示物理空间，为求偏导。
[0084]
基于热传导方程在坐标变换下的形式不变性，光学变换理论将空间变换等效成热流导热参数变换来实现对热流量的人为操控。
[0085]
步骤2，根据材料的热流传播路径进行坐标变换，并将坐标变换后的材料坐标参数输入至基于超材料的多源热流模型内计算得到材料的热导率；
[0086]
具体的，坐标变换包括坐标平移变换和坐标压缩变换，其中坐标平移变换为将热量沿轴线平移至一端距离，改变原始热流的传播路径，如图4所示；坐标压缩变换利用伸缩变换原理，将热量进行宽度上的压缩，依次将热量集中在设定区域内。
[0087]
其中，坐标平移变换前后的坐标关系式如下：
[0088]
x
′
＝x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0089]
y'＝y-x tan(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0090]
将平移后的坐标输入至基于超材料的多源热流模型内，得到平移变换后的雅可比矩阵和变换空间媒质的导热率；
[0091]
其中平移变换后的雅可比矩阵公式如下：
[0092][0093]
平移变换后的变换空间媒质的导热率的计算公式如下：
[0094]
κ
′
xx
＝κ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0095]
κ'
xy
＝-tan(θ)κ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0096]
κ'
yy
＝(tan2(θ)+1)κ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0097]
其中，θ为平移角度。
[0098]
其中，坐标压缩变换前后的坐标关系式如下：
[0099]
x
′
＝x
[0100]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0101][0102]
其中，b1和b为压缩宽度，c为压缩距离。
[0103]
将压缩后的坐标输入至基于超材料的多源热流模型内，得到压缩变换后的雅可比矩阵和变换空间媒质的导热率，如图5所示；
[0104][0105]
压缩变换后变换空间媒质的热导率为：
[0106][0107][0108][0109]
其中，b1和b为压缩宽度。
[0110]
步骤3，将材料的热导率输入至超材料的多源热流的瞬态仿真内，实现对超材料的多源热流调控工作。
[0111]
具体的，ω'以外的区域材料为铜，常温下铜的密度ρ＝8960kg/m3，导热率κ＝400w/(m
·
k)，热容c＝385j/(kg
·
k)，边界条件设置：所有区域初始温度为环境温度293.15k，oa和ac边为对流换热边界，传热系数为h＝10w/(m2·
k)。模型左边具有两个边界
热源，上方热源数值为40000w/m3，下方热源为10000w/m3。
[0112]
本发明中所得材料为各项异性材料，利用各项异性超材料实现热流在空间的方向调控。并利用comsol multiphysics软件进行瞬态仿真，验证方法的有效性和可行性。
[0113]
本发明针对物体受内外多种热源的综合影响，从而造成的温度场不均匀的情况，研究基于超材料的多源热流调控方法的运用对象，如图2所示；利用变换光学理论研究热流传播路径、坐标变换以及材料参数间的关系；利用坐标平移和压缩变换，推导基于超材料的多源热流调控方法；将坐标变换后的材料坐标参数输入至基于超材料的多源热流模型内计算得到材料的热导率。
[0114]
本发明针对物体受内外多种热源的综合影响去研究可以实现热流调控方法。当物体受两个及以上的热源作用时，热流传播路径不规则，温度场不均匀，进而造成不规则变形的情况，此时的物体很难通过简单的热误差防止以及热误差补偿来控制。
[0115]
本发明受“热斗篷”工作原理启发，基于热导热方程在坐标变换下的形式不变性，开展材料参数对热量流动特性影响规律的研究。
[0116]
本发明利用坐标平移变换和压缩变换，建立适用的基于超材料的多源热流调控方法。利用坐标平移变换，可以将热量沿某一轴线平移一端距离，改变原来的路径；而利用坐标压缩变换，即利用伸缩变换原理，将热量进行宽度上的压缩，以集中在某一区域。多源热流调控方法根据坐标变换等相关计算可得所需材料的热导率，并利用comsol multiphysics软件进行瞬态仿真，验证方法的可行性。本发明利用各向异性超材料实现热流调控。变换光学理论中可利用材料变换等效坐标变换，即热流在空间的方向调控通过坐标变换实现，而这种空间坐标变换对热流的影响借助于由变换得到的介质就可实现，这种介质一般为各项异性。
[0117]
对图4结构中取结构中取a＝b＝0.2m，利用comsol multiphysics软件进行瞬态仿真，仿真条件如下：ω'以外的区域材料为铜，常温下铜的密度ρ＝8960kg/m3，导热率κ＝400w/(m
·
k)，热容c＝385j/(kg
·
k)，ω'区域材料参数由公式(9)-(11)计算值给出。边界条件设置：所有区域初始温度为环境温度293.15k，oa和ac边为对流换热边界，传热系数为h＝10w/(m2·
k)。模型左边具有两个边界热源，上方热源数值为40000w/m3，下方热源为10000w/m3。计算多源热流调控方法在不同时间的温度分布，图7所示结果为120s平移45
°
后的温度分布图，和没有进行热流调控的温度云图图6对比，温度云图显示，坐标变换后，ω区域的温度明显降低，而且热量明显改变了方向。
[0118]
对于压缩变换和平移变换设置相同的条件，结构参数a＝b＝0.2m，在空间变换前所有结构的材料为铜，压缩幅度相关值b1＝0.05m,c＝0.15m，则导热结构的导热率由公式(15)-(17)可计算得出。
[0119]
利用comsol multiphysics软件进行瞬态仿真，结构参数、仿真条件以及边界设置与前面坐标变换相同。图8所示结果为120s b1＝0.05m,c＝0.15m后的温度分布图，温度云图显示，坐标压缩变换后，ω区域的温度明显降低，而且热量也明显改变了方向。
[0120]
综上所述，本发明提供的一种基于超材料的多源热流调控方法，探究热流传播方向、传播效果与材料热参数间的影响关系。针对多热源，温度场复杂不均衡的情况，从温度场控制角度出发，提出了较快速的获得较低温升的理想温度场分布的新思路，该温度分布对应的热变形小。
[0121]
本发明还提供了一种基于超材料的多源热流调控系统，包括模型建立模块、数据处理模块和仿真模块；
[0122]
模型建立模块，用于建立基于超材料的多源热流模型；
[0123]
数据处理模块，用于根据材料的热流传播路径进行坐标变换，并将坐标变换后的材料坐标参数输入至基于超材料的多源热流模型内计算得到材料的热导率；
[0124]
仿真模块，用于将材料的热导率输入至超材料的多源热流的瞬态仿真内，实现对超材料的多源热流调控工作。
[0125]
本发明还提供了一种移动终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如基于超材料的多源热流调控程序。
[0126]
所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于超材料的多源热流调控方法的步骤，例如包括如下步骤：
[0127]
步骤1，建立基于超材料的多源热流模型；
[0128]
步骤2，根据材料的热流传播路径进行坐标变换，并将坐标变换后的材料坐标参数输入至基于超材料的多源热流模型内计算得到材料的热导率；
[0129]
步骤3，将材料的热导率输入至超材料的多源热流的瞬态仿真内，实现对超材料的多源热流调控工作。
[0130]
或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述系统中各模块的功能，例如：模型建立模块，用于建立基于超材料的多源热流模型；
[0131]
数据处理模块，用于根据材料的热流传播路径进行坐标变换，并将坐标变换后的材料坐标参数输入至基于超材料的多源热流模型内计算得到材料的热导率；
[0132]
仿真模块，用于将材料的热导率输入至超材料的多源热流的瞬态仿真内，实现对超材料的多源热流调控工作。
[0133]
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述移动终端中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割成模型建立模块、数据处理模块和仿真模块；各模块具体功能如下：
[0134]
模型建立模块，用于建立基于超材料的多源热流模型；
[0135]
数据处理模块，用于根据材料的热流传播路径进行坐标变换，并将坐标变换后的材料坐标参数输入至基于超材料的多源热流模型内计算得到材料的热导率；
[0136]
仿真模块，用于将材料的热导率输入至超材料的多源热流的瞬态仿真内，实现对超材料的多源热流调控工作。
[0137]
所述移动终端，可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述移动终端可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
[0138]
所称处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，
所述处理器是所述移动终端的控制中心，利用各种接口和线路连接整个移动终端的各个部分。
[0139]
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述移动终端的各种功能。
[0140]
所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
[0141]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述一种基于超材料的多源热流调控方法的步骤。
[0142]
所述移动终端集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0143]
基于这样的理解，本发明实现上述方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述基于超材料的多源热流调控方法的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。
[0144]
所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
[0145]
需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
[0146]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。