دل‌سازی انتشار موج گرمایی در ساختارهای فراماده با استفاده از انتقال حرارت غیر فوریه‌ ای

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسندگان
1 دانشگاه شهید چمران اهواز
2 گروه مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران
10.22034/stme.2026.594972.1237
چکیده
در سال‌های اخیر، مطالعه انتشار موج حرارتی در ساختارهای تناوبی و فرامواد حرارتی به دلیل قابلیت آن‌ها در کنترل و هدایت هدفمند شار گرمایی مورد توجه قرار گرفته است. بااین‌حال، مدل کلاسیک فوریه به دلیل فرض سرعت نامحدود انتشار گرما، در تحلیل پدیده‌های حرارتی گذرا و رفتار موجی، به‌ویژه در مقیاس‌های خرد، دقت کافی ندارد. در این پژوهش، انتقال حرارت دینامیکی در ساختارهای فراماده تناوبی با استفاده از مدل فوریه و دو مدل غیرفوریه شامل مدل کاتانئو–ورنوته و مدل تأخیر دوفازی بررسی شد. نوآوری اصلی، به‌کارگیری مدل تأخیر دوفازی برای تحلیل باندگپ‌های حرارتی و لحاظ هم‌زمان تأخیر شار حرارتی و گرادیان دما ناشی از برهم‌کنش‌های فونونی است. با استخراج منحنی‌های پراکندگی در نخستین ناحیه بریلوئن و تحلیل پاسخ فرکانسی، یک باندگپ حرارتی کامل و قابل‌توجه در بازه فرکانسی ۲۵۳۱/۶ تا ۵۲۲۹/۲ هرتز، همراه با افت محسوس دامنه امواج، شناسایی شد. برای اعتبارسنجی نتایج، محاسبات به‌طور مستقل در دو نرم‌افزار کامسول و متلب انجام گرفت و انطباق بسیار مناسبی میان نتایج حاصل شد. همچنین، تحلیل دینامیکی گذرا در بازه زمانی ۰/۰۲ تا ۹ ثانیه و بررسی نسبت تأخیرهای حرارتی از ۰/۰۰۱ تا ۱ نشان داد که با افزایش این نسبت، موقعیت باندگپ به سمت فرکانس‌های بالاتر جابه‌جا شده و رفتار پخشی بر رفتار موجی غالب می‌شود. در نهایت، نتایج نشان داد که با مهندسی و بازآرایی هندسه حفره‌ها در ساختاری تک‌جنس، می‌توان بدون استفاده از ترکیبات چندماده‌ای پیچیده، پهنای باند ممنوع را به‌طور مؤثر گسترش داده و انتشار امواج حرارتی را مسدود کرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Modeling Thermal Wave Propagation in Metamaterial Structures Using Non-Fourier Heat Conduction

نویسندگان English

mahziyar rahimi 1
Hamid Muhammad-Sedighi 2
maziar changizian 1
1 Shaid Chamran University of Ahvaz
2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Shahid Chamran University of Ahwaz, Ahwaz, Iran
چکیده English

In recent years, thermal wave propagation in periodic structures and thermal metamaterials has attracted significant attention because of their potential for targeted control and redirection of thermal energy. However, the classical Fourier model is inadequate for transient thermal phenomena and wave-like behavior, particularly at microscale dimensions, because it assumes an infinite heat propagation speed. This study investigates dynamic heat transfer in periodic metamaterial structures using the classical Fourier law and two non-Fourier formulations: the Cattaneo–Vernotte (CV) and Dual-Phase-Lag (DPL) models. The main novelty is the application of the DPL model to thermal bandgap analysis while accounting for phase lags between heat flux and temperature gradient associated with phonon interactions. Dispersion curves across the first Brillouin zone and frequency response analyses revealed a complete thermal bandgap from 2531.6 to 5229.2 Hz, accompanied by pronounced wave attenuation. Numerical simulations performed independently in COMSOL Multiphysics and MATLAB showed excellent agreement, confirming the reliability of the results. Transient analyses over 0.2–9 s and phase-lag ratios of 0.001–1 demonstrated that increasing the ratio shifts the bandgap toward higher frequencies and enhances diffusive behavior relative to wave-like propagation. The results demonstrate that deliberate topological rearrangement of void geometries within a single-material domain can substantially widen the forbidden band and effectively block thermal waves, without requiring complex multi-material compositions. The proposed design offers a promising route for thermal management devices, wave filtering, and frequency-selective heat transport applications at microscale.

کلیدواژه‌ها English

Non-Fourier Heat Transfer
Cattaneo–Vernotte Model
Dual-Phase-Lag Model
Thermal Metamaterials
Thermal Band Gaps

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 18 مهر 1405

  • تاریخ دریافت 10 مرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 20 شهریور 1405
  • تاریخ پذیرش 18 مهر 1405
  • تاریخ اولین انتشار 18 مهر 1405
  • تاریخ انتشار 18 مهر 1405