自然設(shè)計與進(jìn)化機(jī)制常為工程設(shè)計帶來靈感和意外的驚喜。耐熱型網(wǎng)狀脈植物常年生長在高溫的惡劣環(huán)境中,依靠其自身幾近完美的自適應(yīng)熱結(jié)構(gòu),通過葉片的蒸騰作用進(jìn)行散熱,以抵御高溫對其正常生理活動的影響,其散熱機(jī)制對要求高效散熱的新型仿生均熱板的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有非常大的借鑒意義。本文通過研究耐熱型網(wǎng)狀脈植物葉片在不同尺度(宏觀、細(xì)觀/介觀、微觀)下的結(jié)構(gòu)及功能,對其形態(tài)和結(jié)構(gòu)等進(jìn)行不同尺度的仿生設(shè)計,改良了仿植物葉脈分形均熱板的結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提高了其流動與傳熱性能,并探索了有效便捷的仿生均熱板吸液芯微通道加工方法。本文的主要研究工作如下:(1)宏觀尺度下植物葉脈系統(tǒng)水分傳輸及其仿生設(shè)計特征研究選取了三種常見的耐熱型網(wǎng)狀脈植物,研究了同一葉片各級葉脈中測量的流速差異和不同植物種類葉脈測量的流速差異。分別提取出所選的三種植物葉脈結(jié)構(gòu)的對應(yīng)參數(shù),建立出只考慮主脈與二級脈的具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的仿生微通道模型,進(jìn)行了正交模擬分析,得出了具有優(yōu)越流動性能的仿生設(shè)計特征。綜合考慮壓降△p和最大流速vmax的情況下,最佳的各因素組合為主脈與二級脈之間的夾角φ=55°,主脈直徑d1=1.7 mm,二級脈直徑d2=0.9 mm,主脈與二級脈的長度比α=0.5。說明了耐熱型網(wǎng)狀脈植物的葉脈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對其水分傳輸性能具有重要的影響,黃葛榕優(yōu)化的葉脈結(jié)構(gòu)可以作為具有優(yōu)越流動性能的仿生設(shè)計特征。(2)細(xì)觀和微觀尺度下植物葉脈解剖結(jié)構(gòu)傳熱傳質(zhì)特性研究在細(xì)觀尺度下,測量并統(tǒng)計了所選的三種耐熱型網(wǎng)狀脈植物葉片各級葉脈的解剖結(jié)構(gòu)特征。在微觀尺度下,基于所選的三種耐熱型網(wǎng)狀脈植物葉片主脈木質(zhì)部維管束的真實(shí)顯微結(jié)構(gòu),建立了三個不同的帶有次生壁增厚結(jié)構(gòu)的模型,并通過數(shù)值模擬研究了它們的傳熱傳質(zhì)特性。分析結(jié)果表明,耐熱型網(wǎng)狀脈植物葉脈上的網(wǎng)紋/孔紋次生壁增厚結(jié)構(gòu)能提高傳熱特性,而且交錯排列結(jié)構(gòu)比對齊排列結(jié)構(gòu)具有更好的性能。由此可見,交錯排列的網(wǎng)紋/孔紋次生壁增厚結(jié)構(gòu)可以作為微觀尺度下的仿生設(shè)計特征被提取出來,而且較大的內(nèi)徑(d=25 μm)和較寬較高的增厚紋(a=4.8 μm,h=4 μm)能獲得更好的傳熱傳質(zhì)特性。(3)耐熱型網(wǎng)狀脈植物葉片多尺度仿生設(shè)計一方面,把交錯排列的網(wǎng)紋/孔紋次生壁增厚結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微通道熱沉的結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計上,并對六種不同微通道熱沉模型的傳熱傳質(zhì)特性進(jìn)行了對比。結(jié)果表明,經(jīng)過自然選擇的耐熱型網(wǎng)狀脈植物葉脈木質(zhì)部維管束結(jié)構(gòu)可以在更小的體積下提供優(yōu)良的傳熱特性,盡管需要犧牲一點(diǎn)傳質(zhì)能力。另一方面,設(shè)計了一種新型均熱板冷凝端仿葉脈梯度多孔吸液芯結(jié)構(gòu),并對該設(shè)計在三維模型上進(jìn)行了對比驗(yàn)證。模擬結(jié)果表明,該設(shè)計在相對平衡的壓力分布下具有優(yōu)良的流動和熱性能。(4)均熱板冷凝端仿葉脈梯度多孔吸液芯結(jié)構(gòu)多尺度建模使用擴(kuò)展四參數(shù)生成法生成了 一個連通二維隨機(jī)多孔吸液芯結(jié)構(gòu),設(shè)計了一套完整的格子玻爾茲曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)的MATLAB程序,通過LBM與FLUENT的對比驗(yàn)證了該算法的有效性,并利用所設(shè)計的LBM方法分析了流體在二維隨機(jī)多孔吸液芯結(jié)構(gòu)模型中的微觀流動行為。從入口到出口的整個流動過程來看,很好地解釋了所設(shè)計的均熱板冷凝端仿葉脈梯度多孔吸液芯結(jié)構(gòu)的宏觀模擬中的現(xiàn)象,即梯度多孔吸液芯結(jié)構(gòu)的溫度更快達(dá)到平衡狀態(tài)而且其均溫性更好。對于多孔介質(zhì),在制造時可人為地減少孤立的小塊固體結(jié)構(gòu)的存在,并盡量保持分叉位置兩個高一級微通道附近多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的分布均勻性。(5)仿生均熱板實(shí)驗(yàn)研究通過搭建性能檢測實(shí)驗(yàn)裝置,在不同的加熱功率(60 W、80 W、100 W、120 W、140 W)下,分別測量了制造的仿生均熱板樣品的蒸發(fā)端下表面中心點(diǎn)的溫度與冷凝端上表面的溫度,對比分析了不同結(jié)構(gòu)對其冷凝端上表面均溫性與整體熱阻的影響。通過仿生均熱板與現(xiàn)有均熱板的性能對比發(fā)現(xiàn),在工質(zhì)為去離子水的條件下,仿生均熱板的冷凝端上表面最大溫差最小僅為1.21℃,整體熱阻最小僅為0.094℃/W,均小于大多數(shù)現(xiàn)有均熱板。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH122

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2812292