仿生传热学

仿生学在我们的生活中已经无处不在，从天上飞的飞机，水里游的潜艇，到我们日常使用的荧光灯和锯子等常用工具，无一不是仿生学的产物，这些形形色色的工具为我们的现代化生活提供了巨大的便利。仿生学(bionics)是在具有生命之意的希腊语bion上，加上有 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 技术涵义的ics而组成的词，大约从I960年开始使用。作为一门新兴的独立边缘学科，仿生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并把它们应用到技术系统，改善已有的技术工程设备，并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学，根据对生物系统的研究，为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。传热学是研究物体内部或物体与物体之间由温度差引起热量传递过程和规律的学科。热量传递有三种基本方式，分别为热传导、热对流和热辐射。强化或削弱传热性能、温度场速度场的分析、流动阻力的情况等是传热学要解决的典型问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，而几乎所有的工程技术学科都要或多或少的涉及这些知识，因此，可以说，传热学是科学研究中的占有基础地位的一门学科，而且随着社会的发展，科技的进步，传热学会有着愈加重要的科学地位。近年来，追着某些动植物的部分组织有着特殊的导热和阻力特性的现象被发现并深入研究，人们受到启发，把仿生学引入传热学，通过模仿生物机理，改变传热装置的原理或结构，改善其传热传质性能，取得了巨大的成果。通过这一系列的成果，我们可以给仿生传热学下一个定义，如下：仿生传热学，就是根据生物体的结构，功能和原理，模仿进行新的传热设备开发或改造，按照特定的需求改变传热结构的传热能力或者流动阻力，优化传热传质性能的一门学科。由于仿生传热学并不是一个系统而具体的学科，我们无法在宏观上给出一个具体的知识架构，能找到的 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 又比较有限，因此，在本读书报告中，我打算从以下几个主要方面介绍一下我所了解的一些仿生传热学应用，这也是自己对这门涵盖了多门知识的交叉学科的比较基础浅显的认识。一、仿生超疏水表面自然界的超疏水表面卓越的超疏水表面已在自然界生物的长期进化中产生,许多种植物叶片具有自清洁效果。当雨水落在植物叶片上,表面的灰尘随着水滴一起滚落,达到了良好的自清洁效果,即水滴与表面的接触面积很小,并且在很小的倾斜角下就可以快速滚落,这就是所谓的超疏水性。最典型的例子就是，荷叶上的露珠晶莹剔透，在叶面上来回滚动而不润湿表面，“出淤泥而不染”这句话是荷叶疏水特性的真实写照，正因如此，这种某些植物所具有的特性又被称作为“荷叶效应”。所谓疏水表面是指与水滴接触角大于90°的表面，超疏水表面一般是指与水滴的接触角大于150°且滚动角小于10°的表面。Barthlott等通过观察植物叶片表面的微观结构，发现超疏水表面的最主要特点是具有微米和纳米尺度的粗糙结构和表面蜡状物。以荷叶为例,荷叶表面由许多乳突构成，乳突的平均直径为5~9如，在微米结构的乳突上还存在直径约为124nm的纳米结构蜡晶。表面的蜡晶提供了低的表面能而微纳二级粗糙结构则提咼了表面与水接触时空气所占的分数，这对超疏水性而言是至关重要的。正是这种表面上的多级粗糙微结构以及疏水蜡状物，使水在该表面的接触角和滚动角分别为162°和5°，从而赋予了荷叶自清洁的功能。超疏水表面的疏水原理空气气穴模型液滴在与粗糙的疏水表面接触时，由于液体表面张力的原因，液滴并不会填满固体表面上微小的沟槽部分，沟槽中充满着空气，所以液滴与表面的接触面积实际上由两部分组成，部分是由液滴表面与固体表面上突起的部分组成，另一部分是由液滴表面与沟槽中存有的空气的接触面积组成，由Cassie提出的接触角的计算公式为：cos9/=fcosG+f-1其中e称为表观接触角，e为杨氏接触角，f代表液滴接触实际固体表面占接触总面积的百分数，由上式可知，增大空气气穴所占的面积比例，即减小f,将增大接触角，提高表面的疏水性。2）疏水表面的蜡晶提供了低的表面能荷叶等超疏水表面上有一层蜡晶结构，使得表面能大大降低。表面能是指液滴表面积变化时需要克服表面张力所做的功，相同体积条件下球型表面积最小，因此表面能最小。这也是疏水性能越好的表面上，水滴接触角越大，形状越接近球型的重要原因之一。3）凝结成核的热力学势垒随e的增大而增大水蒸汽在冷表面上形成液滴或冰核时，液滴或冰核要能在表面上存在并继续长大，它们的尺寸必须大于一个临界半径r,否则就会消失掉。跨过临界半径生成临界液核所引起的c自由能的变化AG称为生成液相的热力学势垒或能障，只有越过这一势垒，新相晶核才能存在并长大，而AG的值与表面接触角的大小密切相关，随着e角的增大而单调增大，这也造成了液滴不易在疏水表面凝结。（3）仿生超疏水表面的制备采用磁控溅射镀膜技术，选用的衬底是Si（lOO）片，衬底经过甲苯、丙酮和乙醇的超声波清洗，溅射靶材是纯度为99%、直径为100mm的石墨靶材，气体通过气流量计控制。沉积薄膜前，真空室腔体的背底真空低于5X10-3Pa，然后真空室充入纯度为99.99%的Ar。薄膜沉积时，工作气压维持在0.5Pa，而射频功率和衬底温度分别稳定在200W和400°C。采用射频等离子体表面处理（RF-PlasmaSurfaceProcessing）装置对沉积的a-C薄膜进行了CF表面处理，而其处理工艺分别为：处理时间为5分钟，加热温度为200C，射频功率为4100W。等离子氟化处理进一步提高了薄膜表面的疏水性能，使得其也具有类似生物超疏水表面的多重微-纳米结构及较低的表面能，测量薄膜表面与水的接触角可高达162°。（4）实验对比1）将制备好的仿生超疏水表面与经丙酮擦拭的普通紫铜表面水平放置，分别在上面滴上一滴清水，现象如下：从中可以看出，制备的仿生超疏水表面，其接触角大概在162°，远大于紫铜表面接触角（50°）。2）将两个表面并列平放入相对湿度40%,空气温度18.9C的条件下，两个表面的温度保持-10C，现象如下（左为仿生超疏水表面）：5min30min60min90min在5min时，紫铜表面上已经凝结了厚厚一层水珠，仿生表面上无明显变化；30min时,紫铜表面上的水珠已经凝固成霜，仿生表面上刚可以观察到水珠凝结；60min时，紫铜表面与30min时一样，可见已经完全结霜，仿生表面正在结霜；90min时，超疏水表面结霜完毕,霜晶结构疏松且形状奇异。2）将两个表面并列平放入相对湿度60%,空气温度18.9°C的条件下，两个表面的温度保持T5.7C，实验75分钟时放大50倍现象如下（左为仿生超疏水表面）：紫铜表面上，霜晶密实且排列杂乱无章；仿生表面上的霜晶，出现较晚，结构松散，呈横向生长趋势，外力作用下较易去除，因此考虑把这种表面应用到由于结霜现象严重而造成定危害的环境或设备中，将具有非常广阔的前景。仿生表面霜晶横向生长的特性需要借助孤立导体表面电荷分布密度规律和水分子的极性来解释，比较复杂，在这里不再做详细说明。二、仿生微管（柱）阵列（1）核主泵主轴防护措施背景核主泵是核电站反应堆一回路冷却剂主循环泵的简称，是核岛中唯一的不间断动力来源，被称为核电站的“心脏”核主泵主轴是核主泵的核心部件。在高温、高压、强辐射的环境中，高速旋转的核主泵主轴受到连续不断的冷热水交替冲击，因此，在产生的交替热应力作用下，核主泵主轴产生疲劳裂纹，大大减小了其使用寿命，还极易引起更危险的核电站安全事故。下图为美国某沸水堆核主泵主轴热疲劳裂纹：鉴于此种情况，热防护就显得尤为必要。传统的热防护方法是通过改进材料来提高核电设备的抗热冲击能力，最直接最有效的就是热障涂层,即通过等离子体喷涂、电子束物理气相沉积、化学气相沉积等方法在被保护的基体表面粘结一层导热性很低材料它的主要优点就是能够在结构经受热冲击时明显地降低基体表面的温度而且制造工艺成熟，能够大范围的推广。但是热障涂层的缺点也是不容忽视的，由于热障涂层与被保护基体的热膨胀率不一致在热冲击作用下,在热障涂层与基体的界面会产生较大的温度应力，在循环热冲击下,热障涂层会从基体上剥落从而导致结构失效。在核电站里这种热障涂层的剥落会对整个核电系统造成污染,造成很大的安全隐患，此外，在核电站强福射环境中,对材料要求极为苟刻，常规的热障涂层在核电系统的应用会受到明显的限制。所以研究新的热防护方法对于提高核主泵的热防护能力显得尤为迫切。近些年来，通过结构设计方面来提高抗热冲击性的研究越来越多，从仿生角度来研究结构的热防护问题更是越来越成为新的研究热点之一。（2）仿生现象1）在陶瓷表面刻烛出不 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 的仿生纳米鳍状微结构，材料在淬火后机械性能几乎不变而没有刻烛的光滑陶瓷表面在淬火后机械性能大幅度降低。这是因为在纳米鳍的间隙储存着低热导率的空气，在淬火的过程中，微结构中储存的空气延迟了热流到达基体内部的时间在短时间内基体的温度依然较低，所以保持了较好的机械性能。2）在生物非光滑体表面的启发下，具有沟槽结构的45#非光滑体模具钢被制造出来。在相同的实验条件下，具有沟槽的模具钢的抗热疲劳性显著高于具有光滑表面的模具钢。他们分析认为，非光滑单元体（即沟槽）具有阻断热疲劳裂纹扩展的能力，即所谓的“桩钉”效应。3）深海热液区的某种海螺，海螺壳分层，由不同物质组成复合结构，低热扩散率材料置于受热冲击一侧可以明显地降低受保护面的瞬态温度，最大程度地发挥其抗热应力冲击的性能。结构模型根据以上仿生现象，提出了微柱及微管阵列水热冲击防护表面微结构，其结构如下图所示，微柱及微管之间的最大距离为L=30^，微柱的直径d(微管的外径)及其高度h、微管的管壁厚度§为几何设计参数，微柱及微管的根部存在旋转椭球过渡面。原理壁面微结构的束缚作用，使微结构层内产生一层稳定且基本处于静止状态的水膜，相当于粘性底层，水的热扩散系数很小，等效成热障涂层。在微柱和微管根部存在旋转椭球过渡面，以减小热冲击过程中此处的应力集中。微柱和微管处于自由伸缩状态，瞬时温度变化时热应力远远小于光滑表面。实验取微柱及微管的几何参数为L=30^m,d=6^m,h=100Mm，假设被冲击表面初始温度为566K,粘性底层的边界温差为AT=50K。通过计算机模拟，绘出此条件下的微管微柱结构以及光滑表面热应力随时间变化的曲线，如下：y.u0.2a.4u.fio.s1.9亠詐二丄-曼#一二=罔-—=二-X」二三m三由图可知，在所给的热冲击条件下，微柱结构产生的热应力小于光滑表面，微管结构的热应力更小，尤其在0.1s到0.2s的时间内，两者大小分别为光滑表面热应力的1/3和1/4。可见，在短周期冷热水反复冲刷下，微管微柱结构能显著减小表面热应力，在核主泵主轴热防护方面有着非常好的发展前景。三、仿生针织面料服装导热的原理服装的导热过程包括介于衣下空气层空间的内部对流和各层衣服之间的辐射过程，以及通过服装材料层本身的导热。旦是，服装各层互相非常贴近，温度梯度小，辐射散热微不足道;衣下空气层中空气流动速度缓慢，可视作静止空气,导热量也很小。因此，服装系统中的热传导主要是服装纤维材料本身的传导。仿生现象蒸腾作用是水分从活的植物体表面(主要是叶子)以水蒸汽状态散失到大气中的过程,是植物对水分和无机盐的吸收和运输的一个主要动力，水分在叶子表面蒸发，降低植物的温度。仿生模型树的网状分级结构可以使流阻减到最小，具有最优的传热性能，与之类似的还有动物的肺和肾脏，模拟这种分级结构，设计出针织物的分级结构，也将可以提高织物导湿导热性能。具体来说，就是纱线在织物的横截面方向上分布形成树形的分叉结构。以下图为例，纱线1在图中0位置的那枚针上集圈形成了悬弧，纱线2成圈，此时0点处纱线形成了四个分支，并分散到织物的另一面。⑷实验由于双面织物结构中要实现树形原理的“多级分支”较难,本实验设计的结构均为一级分支，关键点在于确定正反面圈数比例F:B,若F:B太小，则分支效应不明显，若F:B太大，则织物正面气孔太少，阻碍衣物的对流换热。实验选取了2:1、3:1、4:1、3:2、4:2、5:2、5:3几种比例，与1:1的正反面圈数比比例进行效果比对。实验中，对八种不同圈数比的织物分别进行了综合热湿性能测试。热湿性能测试包括五个步骤，分别是：芯吸性能测试、快干性能测试、透湿性能测试、透气性能测试、导热性能测试。每项测试依次得到相应的测试值，采用直接 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 法，对每项测试值赋予一个权重系数，然后求得各项的加权和，即得到织物的综合热湿性能，然后比较不同正反面圈数比织物的综合热湿性能，数值最大的即为最优比例。由于双面织物结构中要实现树形原理的多级分支较难，故而在本实验中只采用了一级分支，如何在多级分支下确定最佳正反面圈数比，将是下一步要解决的问题。四、其他上述仿生传热学实例涉及到传热导热问题，将仿生学应用到辐射方面，最熟悉的例子是响尾蛇导弹。响尾蛇视力几乎完全退化，但眼睛前端生有两个小孔，能够感知猎物发射出来的红外线，从而对猎物进行追踪，人类根据这一现象，通过仿生手段设计出了响尾蛇导弹，在导弹前部装有红外线探测装置，能够探测到敌机发动机尾焰辐射出的红外信号，从而对导弹进行指导，跟踪敌机飞行并完成攻击。在大多数情况下，微通道换热器的排布要求是“均匀密铺”，几何学中已证明:可“均匀密铺”任意几何形状平面的正多边形中,只有正三角形、正四边形和正六边形；在自然界中，蜂巢结构即为正六边形，特别地,仿蜂巢分形微流体网络的分形基形也是正六边形。并且在密铺相同面积的前提下,正六边形具有最小的网络周长,即仿蜂巢分形微管道网络具有最短的流道总长,这一特点有可能降低流体网络系统的阻力,使分形微管道网络换热器结构更加合理。在微管道截面参数、对流传热系数、传热温差均相同的条件下,对流动与换热特性的理论分析表明：加热底面积相同时,仿蜂巢分形微管道网络所能带走的热量可达平行阵列微管道网络的5倍以上；不计分流、合流效应,总换热量一定时,仿蜂巢分形微管道网络所需的泵送功率约为传统平行阵列微管道网络的1/10。恒定热流条件下的去离子水层流对流换热实验也证明：仿蜂巢分形微管道网络比传统的平行阵列微管道网络具有更高的Nusselt数和更低的流动压降。五、学习心得在为“仿生传热学”这个题目搜索资料并阅读文献的过程中，我学到了很多东西，总结起来有以下几点：从常见的现象中寻找灵感。仿生学是学习大自然的产物，应用在传热学上也不外乎如此。荷叶和树等，都是最常见的自然生物，它们的一些特性，却可以给我们启发，可以应用在哪些地方，原理是什么，为什么要这么用，这么用会有什么样的好处，一系列的问题，促使我们去寻找答案，进一步研究，从人习以为常的现象中，追本溯源。自然界的灵感是原动力，探究可以帮我们把灵感变为现实，为我所用。从众多文献中寻找有用信息并归纳总结。仿生传热学并不是一个具体详细的系统，可以找到的资料也比较少，内容都是基于某些自然现象进行仿生，不同仿生产物的内在联系不多。每个仿生产物都是仿生学、传热学、材料学、力学、计算机等多学科交叉的结果，限于自身学识水平，只能对其中的一些方面归纳总结，单独提出，而涉及到其他学科的知识则只能走马观花，不去深究，想要弄明白所有的来龙去脉，还得下更大的工夫。简单的成果后面要付出多倍的努力。在做ppt的过程中，力求把ppt做的简洁，把复杂的道理讲得浅显易懂，这就需要在做之前，把所有的可能用到的文献搜集齐全，然后大致读一遍，了解基本内容，再细读重点内容，理解透彻，成竹在胸，对要展示出来的内容列出提纲，然后才是做ppt。这整个过程很耗时耗力，但正是在这个过程中，学到了很多原本不知道或者虽然知道是什么但不知道为什么的知识，让我受益匪浅。