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电热双功能隐身衣的理论设计

作　者: 李菁一
导　师: 黄吉平
学　校: 复旦大学
专　业: 理论物理
关键词: 转换介质理论有效媒质理论接触热阻电热双功能“隐身衣” 有限元模拟
分类号: O482
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 25次
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内容摘要

本文从理论角度试图设计一种电热双功能的“隐身衣’’(Cloak),并利用各向异性的复合材料来设计这种“隐身衣”的壳层结构。通过有效媒质理论(Effective Medium Theory),可以计算得到复合材料的有效的电导率和热导率,并将其与转换介质理论(Transformation Media)计算得到精确的传导性质相互匹配。在设计过程中,我们选择了椭球形的纳米颗粒作为复合材料介质,通过控制电导率(Electrical Conductivity)、热导率(Thermal Conductivity),形状结构比(Shape Aspect Ratios)和体积分数(Volume Fractions)来同时操控“隐身衣”壳层内的电流和热流。在进一步的分析中,我们还利用有限元模拟(Finite Element Simulation)的方法来检验这种电热双功能“隐身衣”的性质。本文的理论计算部分,基于转换介质理论和有效媒质理论,试图通过一种各向异性的复合材料,对多个物理场同时进行操控。并分析这种复合材料的内部结构和物理性质,包括纳米颗粒的形状和浓度,电导率和热导率在基质中所需要满足的关系等等。这将是一种普适的多物理场的操控方法,对于所有在伽利略变换下具有坐标协变性的场方程都将适用。而本文的模拟部分,则给出了设计这种电热双功能“隐身衣”的具体细节,宏观和微观参数设定,通过COMSOL Multiphysics进行的有限元模拟,给出了理想的模拟结果。本文一共分为五章。论文第一章介绍了研究背景和当前国内外的研究进展。第二章介绍转换介质理论。然后利用直流电导方程和热传导方程的一一对应关系给出转换介质理论的方程,并结合有效媒质理论,由此设计三维的电热双功能“隐身衣”。第三章介绍COMSOL和有限元模拟。并给出了在二维和三维下的模拟结果。第四章进一步分析理论计算的结果,并提出实验的可行性。第五章总结我们的整个工作,并对未来工作进行了展望。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-5
第1章绪论  5-17
  1.1 奇异材料和转换介质理论  5-7
  1.2 隐身衣简介  7-11
  1.3 维隐身衣和三维隐身衣  11-15
  1.4 隐身衣的设计  15-17
第2章转换介质理论和有效媒质理论  17-25
  2.1 转换介质理论  17-20
  2.2 有效媒质理论  20-25
第3章有限元模拟和COMSOL  25-31
  3.1 有限元模拟和COMSOL简介  25-27
  3.2 电热双功能"隐身衣"的有限元模拟  27-31
第4章结果与讨论  31-39
  4.1 "隐身衣"的参数计算结果  31-37
  4.2 参数讨论和比较  37-39
第5章结论  39-41
参考文献  41-43
致谢  43-44

电热双功能隐身衣的理论设计

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