自然设计与进化机制常为工程设计带来灵感和意外的惊喜。耐热型网状脉植物常年生长在高温的恶劣环境中,依靠其自身几近完美的自适应热结构,通过叶片的蒸腾作用进行散热,以抵御高温对其正常生理活动的影响,其散热机制对要求高效散热的新型仿生均热板的结构设计具有非常大的借鉴意义。本文通过研究耐热型网状脉植物叶片在不同尺度(宏观、细观/介观、微观)下的结构及功能,对其形态和结构等进行不同尺度的仿生设计,改良了仿植物叶脉分形均热板的结构,进一步提高了其流动与传热性能,并探索了有效便捷的仿生均热板吸液芯微通道加工方法。本文的主要研究工作如下:(1)宏观尺度下植物叶脉系统水分传输及其仿生设计特征研究选取了三种常见的耐热型网状脉植物,研究了同一叶片各级叶脉中测量的流速差异和不同植物种类叶脉测量的流速差异。分别提取出所选的三种植物叶脉结构的对应参数,建立出只考虑主脉与二级脉的具有不同结构参数组合的仿生微通道模型,进行了正交模拟分析,得出了具有优越流动性能的仿生设计特征。综合考虑压降△p和最大流速vmax的情况下,最佳的各因素组合为主脉与二级脉之间的夹角φ=55°,主脉直径d1=1.7 mm,二级脉直径d2=0.9 mm,主脉与二级脉的长度比α=0.5。说明了耐热型网状脉植物的叶脉系统结构对其水分传输性能具有重要的影响,黄葛榕优化的叶脉结构可以作为具有优越流动性能的仿生设计特征。(2)细观和微观尺度下植物叶脉解剖结构传热传质特性研究在细观尺度下,测量并统计了所选的三种耐热型网状脉植物叶片各级叶脉的解剖结构特征。在微观尺度下,基于所选的三种耐热型网状脉植物叶片主脉木质部维管束的真实显微结构,建立了三个不同的带有次生壁增厚结构的模型,并通过数值模拟研究了它们的传热传质特性。分析结果表明,耐热型网状脉植物叶脉上的网纹/孔纹次生壁增厚结构能提高传热特性,而且交错排列结构比对齐排列结构具有更好的性能。由此可见,交错排列的网纹/孔纹次生壁增厚结构可以作为微观尺度下的仿生设计特征被提取出来,而且较大的内径(d=25 μm)和较宽较高的增厚纹(a=4.8 μm,h=4 μm)能获得更好的传热传质特性。(3)耐热型网状脉植物叶片多尺度仿生设计一方面,把交错排列的网纹/孔纹次生壁增厚结构应用于微通道热沉的结构仿生设计上,并对六种不同微通道热沉模型的传热传质特性进行了对比。结果表明,经过自然选择的耐热型网状脉植物叶脉木质部维管束结构可以在更小的体积下提供优良的传热特性,尽管需要牺牲一点传质能力。另一方面,设计了一种新型均热板冷凝端仿叶脉梯度多孔吸液芯结构,并对该设计在三维模型上进行了对比验证。模拟结果表明,该设计在相对平衡的压力分布下具有优良的流动和热性能。(4)均热板冷凝端仿叶脉梯度多孔吸液芯结构多尺度建模使用扩展四参数生成法生成了 一个连通二维随机多孔吸液芯结构,设计了一套完整的格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)的MATLAB程序,通过LBM与FLUENT的对比验证了该算法的有效性,并利用所设计的LBM方法分析了流体在二维随机多孔吸液芯结构模型中的微观流动行为。从入口到出口的整个流动过程来看,很好地解释了所设计的均热板冷凝端仿叶脉梯度多孔吸液芯结构的宏观模拟中的现象,即梯度多孔吸液芯结构的温度更快达到平衡状态而且其均温性更好。对于多孔介质,在制造时可人为地减少孤立的小块固体结构的存在,并尽量保持分叉位置两个高一级微通道附近多孔介质结构的分布均匀性。(5)仿生均热板实验研究通过搭建性能检测实验装置,在不同的加热功率(60 W、80 W、100 W、120 W、140 W)下,分别测量了制造的仿生均热板样品的蒸发端下表面中心点的温度与冷凝端上表面的温度,对比分析了不同结构对其冷凝端上表面均温性与整体热阻的影响。通过仿生均热板与现有均热板的性能对比发现,在工质为去离子水的条件下,仿生均热板的冷凝端上表面最大温差最小仅为1.21℃,整体热阻最小仅为0.094℃/W,均小于大多数现有均热板。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH122
【参考文献】
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2812292
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