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1、碩士學位論文基于坐標變換理論的超材料質流調控特性分析MetamaterialAnalysisofManipulatingMassDiffusionProcessBasedonCoordinateTransformationTheory鄒全哈爾濱工業(yè)大學2018年6月國內圖書分類號：TK124學校代碼：10213國際圖書分類號：536.521.2密級：公開工程碩士學位論文基于坐標變換理論的超材料質流調控特性分析碩士研究生：鄒全導師：張昊春副教授申請學位：工程碩士學科：動力工程所在單位：能源科學與工程學院答辯日期：2018年6月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學Classif
2、iedIndex:TK124U.D.C:536.521.2DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringMetamaterialAnalysisofManipulatingMassDiffusionProcessBasedonCoordinateTransformationTheoryCandidate：ZouQuanSupervisor：Prof.ZhangHaochunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerEngineeringAffil
3、iation：SchoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文摘要超材料因其特殊的性能而受到了廣大科研工作者的關注，從最初的光學隱身衣理論，拓展到熱學、聲學、力學等領域，不斷有新的突破和成果誕生。如果分析清楚能夠操縱質量通量高效流動的手段，將會對分子生物科學或化學學科產生重大的影響；但基于質量擴散調控的超材料研究卻進展緩慢，主要原因在于傳質學遵循的擴散方程與
4、其它的波動方程有較大差異，所以人們對于質量擴散調控的研究涉及較少，而本文的研究內容正是分子質量擴散的特性調控，這也是本文的創(chuàng)新點和意義所在。因為研究超材料的理論基礎是等效介質理論，而發(fā)展變換變換科學理論則依賴于控制方程表達形式的不變性。所以本文主要通過坐標變換理論和等效介質理論來實現(xiàn)質流調控的目的。首先，為了實現(xiàn)單一氣體在超材料區(qū)域的調控，對功能區(qū)域采用兩類不同的均勻各向同性材料交替復合，達到人工超材料的功能。其中對于氮氣的排斥效果，功能區(qū)域采用的是同心圓環(huán)的交替排布，填充好兩類不同的各向同性材料，所以不同的圓環(huán)對于氮氣的擴散率不同；而對于氧氣的聚集效果，則在功能區(qū)
5、域采用等面積扇形的劃分方式，同樣交替填充選擇好的材料，可以實現(xiàn)對氧氣的局部聚集和氮氣的排斥效果。其次，為了同時實現(xiàn)二元混合氣體的復合功能，基于“離散-等效”的等效介質理論，選擇符合計算結果要求的四種材料，然后有規(guī)律的排布，可以同時實現(xiàn)復合功能，即在一個物理場中同時實現(xiàn)對混合氣體中某一種氣體的聚集調控與另一種氣體的排斥調控。最后，為了探究影響氣體擴散的各類因素，對物理模型的幾何結構特征進行逐一分析。結果表明，其中功能區(qū)域的內半徑R1、小扇形數(shù)量R、同心圓環(huán)數(shù)量L、氣體在材料中的溶解度和界面氣體濃度的不連續(xù)性現(xiàn)象等都對氣體的擴散有不同程度上的影響。理論上的研究分析可以選
6、擇性忽略以上因素，但在實際的實驗過程中，如果沒有考慮這些額外因素，將會對實驗的精度與結果產生巨大的偏差影響。關鍵詞：超材料；坐標變換；等效介質；質流調控I哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文AbstractInrecentyears,metamaterials,whichpossessuniquephysicalproperties,haveattractedthegreatinterestofmanyresearchers.Thisunprecedentedcompositematerialshavebeenexpandedtootherfieldssuchasheat
7、,acousticsandmechanicsfromopticalcloak,newbreakthroughsandachievementshavealsobornallthetime.Beingabletomanipulatemassflowiscriticallyimportantinavarietyofphysicalprocessesinbiomolecularscience.However,themetamaterialformassdiffusionhasbeenlargelyunexploredduetothelargelydifferencebe
