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1、2011年第56卷第20期：1597~1604《中国科学》杂志社论文www.scichina.comcsb.scichina.comSCIENCECHINAPRESS常规材料与超材料间的近场辐射换热分析*郑志恒,宣益民南京理工大学能源与动力工程学院,南京210094*联系人,E-mail:ymxuan@mail.njust.edu.cn2011-02-25收稿,2011-04-16接受国家自然科学基金资助项目(50936002)摘要研究了超材料参数对辐射热交换的影响,同时分别选用超材料、铝、硼掺杂硅3种材关键词料,计算并分析了两个半无限大物体光滑平行表
2、面间的近场辐射换热.数值计算结果表明,近场效应不同材料间的辐射热交换与对应的同种材料之间的辐射热交换相比,辐射热交换的增强和减近场辐射换热弱取决于材料的辐射性质.本工作将为实际应用中材料的选择提供一定的参考价值.材料组合超材料微纳米技术的飞速进步极大地促进了高效微型究了物质参数和温度对两个同种普通材料之间的近[1~4][20]能量转化设备和能量利用设备的发展.由于这些场辐射换热的影响.Fu和Zhang广泛地研究了不同设备尺寸的小型化,设备中复杂的微观热传递必须掺杂浓度下掺杂硅表面之间的近场辐射换热.Joulain[5][19]要加以考虑.与此同时,各种
3、新型人工材料的出现等人结合波动电动力学和波动耗散理论研究了两为近场热辐射带来新的挑战.个半无限大超材料之间的近场和远场辐射换热,发作为微尺度辐射换热非常重要的一部分,近场现当表面波被激发时,近场辐射换热将会被大大强辐射换热已经被众多学者从许多方面进行了研化.但到目前为止,很少有学者关注不同材料表面之[6~18]究.这些研究表明:亚波长尺度下的辐射换热已间的近场辐射换热,特别是超材料和非磁性材料之间经不能由宏观的热辐射定律来描述,并且由于波的的近场辐射换热.这些将为微型能量转换设备,例如干涉,光子隧道效应和表面波的激发等近场效应的热光电(TPV)系统中材
4、料的选择提供有价值的参考.影响,两个距离非常近的物体之间的辐射换热速率本文主要研究了由不同材料(自然材料和人工材可以比宏观尺度下的黑体辐射换热速率增大几个量料)组成的半无限大物体之间的近场辐射换热,同时[6~18][19]级.最近,Joulain等人从理论上研究了两个超研究了超材料的参数对于近场辐射换热的影响.3种[14,21]19−3材料之间的近场辐射换热,研究结果表明TE偏振表不同类型的材料分别为铝、掺杂浓度为10cm[12]面波的激发以及超材料的铁磁行为将产生新的换热的硼掺杂硅(即硅-19)以及超材料.通道,从而使辐射换热得到进一步的增强.因此,
5、超1理论模型材料的存在将使得近场辐射换热变得更加复杂,同时也会带来一些有趣的问题.例如,超材料的物质参结构如图1所示,介质1和3为半无限大物体,数将对近场辐射换热带来什么样的影响?超材料和介质2为真空.介质1和3的温度分别为T1和T3.在非磁性材料(即相对磁导率μ=1)之间的近场辐射换热任意温度大于0K的物质中,由于物质中波动电流源将会出现什么样的现象?它和相应的同种超材料或和磁流源的存在,他们在物质内部和外部产生波动[22]非磁性材料之间的近场辐射换热相比会有什么样的的电磁场,形成热辐射.这个波动的电磁场可以[12][23]区别?Wang等人利用Dr
6、ude模型和Lorentz模型研通过波动耗散理论以及在麦克斯韦方程组里添加英文版见:ZhengZH,XuanYM.Near-fieldradiativeheattransferbetweengeneralmaterialsandmetamaterials.ChineseSciBull,2011,56,doi:10.1007/s11434-011-4586-92011年7月第56卷第20期表示波矢的平行分量.koi和γi符号的选择遵从文eemm献[25,26].A!,C!,A!和C!为待定系数,可以通3333[27]过传输矩阵方法求解.Θ(ω,T1)为频
7、率为ω的谐振子平均能量.公式的详细细节可以参考文献[24].当仅在介质3中存在波动的电流源和磁流源时,利用相似的方法可以求解由介质3传递到介质1的波谱热流密度.两个热流密度的差值则为净的波谱辐射换热量.对频率从0到正无穷积分,则得到总的净辐射换热量.2结果与讨论图1模型结构示意图d2.1超材料的相对介电常数模型和相对磁导率模型矢量R代表方向xxˆˆ+yy,其中xˆ和yˆ分别代表x和y方向的单位向量超材料是一种能够展现出奇异特性的新型电磁复合材料,这些奇异特性包括负的相对介电常数ε,额外的波动电流源和磁流源建立随机麦克斯韦方程[28~32]负的相对磁导率
8、μ和负的折射率.实际上,超材[22]组来求解.当仅在介质1中存在波动的电流源和磁料的相对介电常
