李娟，朱章鈺，翟昊，王嘉洛

（南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇南京210037）

仿生學始于20世紀60年代，是生物學、材料學和工程技術學科相結合的新型交叉學科。針對工程和生產實踐提出的技術問題，仿生學以生物為研究對象，通過借鑒、簡化生物體的外形結構、功能行為及其調節(jié)機制應用于工程實踐，極大地提高了人類對自然的適應和改造能力，產生了巨大的社會經濟效益[1-2]。

近年來，眾多研究人員由自然界中廣泛存在的強化傳熱傳質現(xiàn)象以及生物體非光滑表面結構受到啟發(fā)，將其模擬應用于換熱器、汽車車身、水中航行體的結構設計中，獲得了不錯的強化傳熱與減阻效果。這對于提高設備能源利用效率、緩解工業(yè)領域高能耗問題具有重大意義[3-5]。

目前，將仿生優(yōu)化結構應用于強化傳熱及表面減阻的研究較多，但在體積和質量受限的微尺度傳熱領域中仍處于起步階段?；诜律鷮ο箝_發(fā)的鯊鰓型翅片、魚鰭凸起、葉脈分形、昆蟲表面乳突等傳熱結構，強化傳熱效果明顯；將盾鱗溝槽、生物表面凹坑凸包和具備微納結構的超疏水表面等仿生結構應用于流動減阻中，能夠較大程度降低阻耗。然而，高效低阻作為換熱器優(yōu)化設計的最終目標，尤其是在微尺度傳熱領域，如何考慮耦合設計仿生傳熱元件的綜合性能，提高傳熱效率的同時降低流動阻力，仍是強化傳熱技術領域面臨的重要挑戰(zhàn)。本文從單相、相變強化傳熱及表面減阻等方面，綜述了仿生強化傳熱與減阻技術的研究進展，并結合微尺度傳熱結構發(fā)展趨勢，指出微尺度仿生結構現(xiàn)有研究的不足，提出了高效低阻強化傳熱仿生結構設計的必要性，有望對微通道換熱器的設計和研究提供參考。

1 仿生學強化傳熱技術的研究進展

換熱器作為化工電力、航空動力等工業(yè)領域的通用設備，提高其傳熱性能對于節(jié)能減排戰(zhàn)略具有重要推動作用。受動植物部分組織結構的啟發(fā)，學者們將仿生學原理引入無源強化傳熱技術，通過優(yōu)化設計換熱元件結構，實現(xiàn)強化單相及相變對流傳熱的目的。

1.1 單相傳熱

換熱板和換熱管作為換熱器的核心元件，其表面及內部結構的設計在很大程度上決定了換熱器的性能。

圖1 仿生強化單相傳熱結構

劉景成等[6]通過對鯊魚鰓周圍流體流動狀態(tài)的考察，提出了一種鯊鰓型翅片結構，如圖1(a)所示，用于改善板翅式換熱器內流體流動及傳熱。通過調整開口尺寸1～6mm和角度5°～30°，建立了12個鯊魚腮翅片換熱器流道模型，數值研究了換熱器內速度、壓力、溫度以及湍流強度的分布情況。在不同結構參數下，速度變化、溫度變化及湍流強度的峰值均出現(xiàn)在翅片開口位置前后，分別為47.38%、1K/m和3.162%。

Qi等[7]實驗研究了魷魚鰭正弦波紋結構CPU散熱片內Fe3O4-CNTs納米流體的流動及傳熱特性，仿生結構如圖1(b)所示。以去離子水為參照，探究納米顆粒質量分數和波長對新型仿生CPU散熱片性能的影響。實驗結果表明，當納米顆粒質量分數為0.5%、魷魚鰭表面波長為6.75mm時，仿生CPU散熱片的傳熱強化效果最大為13.27%，同時增加了7.56%的流動阻耗。

靳遵龍等[8]設計了一種仿生竹節(jié)強化傳熱管，并采用數值模擬的方法對4種不同竹節(jié)間距和邊長的強化管模型進行了流動和傳熱特性分析。與光滑管模型相比，仿生竹節(jié)強化管換熱系數的提升最多可達57%，流動阻力的消耗最少增加26%。當竹節(jié)間距、邊長分別為20mm和5mm時，仿生結構的綜合強化傳熱效果最好。

張凱等[9]將丁胞強化傳熱結構與座頭鯨鰭片凸起結構相結合，設計了一種新型仿生結構強化管，如圖1(c)所示。對去離子水在仿生管和丁胞管內的流動和傳熱特性進行了數值仿真分析和對比，結果表明在低雷諾數工況下，仿生管阻耗較高的同時，傳熱系數的提升更為明顯。當雷諾數為104、丁胞結構軸向間距為20mm、鰭片凸起個數為6、相對深度為0.421時，新型仿生結構強化管的整體性能最佳。

基于墨魚鰭振幅從中部到兩側逐漸增大的結構特性，Liang等[10]設計了一種帶錐度波紋紐帶插入件，如圖1(d)所示。以波紋紐帶的周期和振幅為變量，數值模擬研究了光滑圓管、仿生圓管與傳統(tǒng)波紋紐帶插入件圓管的性能。相比傳統(tǒng)波紋紐帶插入件，帶錐度波紋紐帶插入件強化傳熱的效果雖然降低了15.6%～25.9%，但同時阻力的消耗減小了93.4%～269.5%。當雷諾數為1800、波紋周期為40mm、波紋振幅為5.4mm時，新型仿生圓管綜合性能因子最高，為2.62。

基于無源強化傳熱理論，強化單相對流傳熱的三種途徑為：增加換熱面積、加大對數平均溫差和提高傳熱系數。介于換熱設備實際應用的體積、成本及冷熱工質溫度限制，提高傳熱系數是強化傳熱的最有效途徑。通過分析可以看出，上述仿生結構強化傳熱的機理主要是基于改變流體流動條件，增大流體紊流程度，從而提高傳熱系數。鯊魚鰓型翅片促進了同層翅片不同流道內流體的混合，增強了對近壁面層流底層的沖刷作用；魷魚鰭正弦波紋表面的引入，增強了流體流動過程中的擾動，同時納米顆粒的布朗運動會進一步破壞層流邊界層；周期性分布的竹節(jié)凸起結構造成了流動截面積的突擴突縮，引發(fā)了縱向渦流，促進了管中心高速流體與邊界層流體的混合；在丁胞與鰭片凸起組合結構強化管中，鰭片凸起結構進一步增大了近壁面處流體的徑向分速度，不僅增強了對壁面的沖刷效果，而且擴大了丁胞后方縱向渦的影響區(qū)域，促進了冷熱流體混合；墨魚鰭波紋紐帶沿徑向的起伏變化使得波谷和波峰處形成一對較明顯反向旋轉的縱向渦，破壞了層流底層，增強了換熱管中心高速流體與近壁面低速流體的混合。

1.2 相變傳熱

氣-液相變傳熱主要是指液體沸騰和蒸汽凝結時發(fā)生的熱量傳遞過程?；诜律鷮W原理優(yōu)化換熱表面結構，有利于改善氣-液相變過程，降低工質蒸發(fā)及冷凝熱阻，提高傳熱效率。

基于植物葉片表面結構的蒸騰散熱特性，趙雨亭等[11]設計了一種仿生葉脈分形微結構表面，用于強化平板熱管冷凝端的傳熱，仿葉脈槽道結構如圖2(a)所示。以分形角為結構變量做葉脈形結構平板熱管與傳統(tǒng)平板熱管的熱性能對比試驗，發(fā)現(xiàn)當分形角為80°、加熱功率為80W、充液率為35%時，仿生結構平板熱管的冷凝熱阻最小為39.42K/kW，相比傳統(tǒng)平板熱管降低了40.29%。

李紅傳等[12]受天鵝絨竹芋表面凸起結構啟發(fā)，構建了錐形毛細芯平板熱管，兩種錐形結構如圖2(b)所示。其中，仿生平板熱管底部壁面分布有254個錐形毛細芯結構。通過分析熱性能實驗獲得的熱管熱阻發(fā)現(xiàn)，錐形毛細芯結構經氧化處理后，平板熱管的總熱阻在不同加熱功率下均有一定程度地降低。對于熱管放置角度為0°和180°的兩種工況，氧化后仿生平板熱管總熱阻的最小值與未經氧化處理的熱管相比，分別減小了65.7%和37.5%。

孔慶盼等[13]參考仙人掌收集霧中水分的功能協(xié)同原理，采用化學刻蝕法制備了超親水乳突和超疏水表面組合結構，用于強化冷凝傳熱。在充液率為10%的實驗工況下，調整加熱功率，獲得了不同過冷度下光滑銅表面、超疏水表面以及仿生組合結構表面的冷凝傳熱系數。當過冷度為5K時，仿生表面冷凝傳熱系數達到最大，為80kW/(m2·K)，比光滑銅表面增加了380%。

圖2 仿生強化相變傳熱結構

蟬翼表面的錐形納米乳突陣列結構能有效聚合微小液滴，實現(xiàn)液滴的自彈射去除。受此啟發(fā)，Wang等[14-15]提出了一種可以實現(xiàn)小尺度冷凝微滴高密度自更新的仿生納米針構型表面，如圖2(c)所示。其中，納米針的高度、直徑和間距可隨生長時間變化。實驗研究了不同生長時間納米針構型表面的冷凝傳熱特性，發(fā)現(xiàn)當生長時間為30min，納米針間距、直徑、高度分別為92nm、10nm、2.1μm時，該納米針構型表面冷凝傳熱系數最大為40.96kW/(m2·K)，相比光滑銅基疏水表面提高了320%。

Hou等[16]以納米布沙漠甲蟲背部親疏水復合結構的高效集水特性為設計依據，制備了一種嵌有規(guī)則微米柱陣列結構的硅表面，如圖2(d)所示。該表面微米柱結構頂部因氧化硅膜層呈親水性，微米柱側壁和納米級粗糙元經低表面能化學修飾呈疏水性。通過熱性能實驗考察了微米柱直徑6μm、高度7μm、間距12μm、18μm、24μm工況下，該仿生結構表面的冷凝傳熱特性。當飽和蒸汽壓為3.17kPa、微米柱間距為12μm時，該仿生親疏水復合表面冷凝傳熱系數最高為1.532kW/(m2·K)，相比光滑疏水表面以及納米級粗糙元超疏水表面分別提升了63%和153%。

對于氣-液相變傳熱過程，氣泡和液滴的核化、移動、脫離是影響蒸發(fā)和冷凝熱阻的關鍵。從上述研究中可知，仿生結構能夠優(yōu)化氣泡和液滴的運動狀態(tài)，達到強化傳熱的目的。葉脈分形結構的毛細作用能及時帶走周圍裸露銅基表面形成的冷凝液，促進換熱循環(huán)；錐形毛細芯內部多尺度孔隙結構的存在有利于蒸氣從大孔隙逸出，液體從小孔隙吸入，降低氣-液間的運動阻力，減薄冷凝液膜厚度；受親水錐形乳突吸引而粘附在其表面的冷凝液滴，受乳突曲率半徑不同產生的拉普拉斯壓差作用而流向乳突底部，此時受乳突內部微小通道產生的毛細吸力作用，液滴被吸入乳突內部，當乳突內液體飽和時，液滴會在乳突根部聚集，最終受重力作用沿基部流下；引入疏水納米針構型，保證固液接觸形式為點接觸，最小化固液界面粘附，促使冷凝液滴融合后釋放足夠表面能實現(xiàn)自彈射去除，降低冷凝微滴的驅離尺寸；采用親疏水復合微米柱陣列結構，在疏水納米針表面的基礎上，進一步固定了冷凝微滴的成核位置，保證了冷凝微滴的高效融合，促進了冷凝微滴的自彈射去除。

表1總結了以上仿生強化傳熱結構的尺寸、工況等參數以及對傳熱、流動性能的增幅、減益效果。通過分析表中數據可知，由于流動介質、流速、溫度等工況參數不同，客觀評價各類仿生結構強化傳熱效果優(yōu)劣十分困難。但是與傳統(tǒng)傳熱結構相比，不可否認仿生強化傳熱結構具有明顯優(yōu)勢，如墨魚鰭紐帶插入件強化率最高達到了5.8倍。然而，從文獻數據中也看到其流動阻力大大增加，這并不利于提升傳熱元件綜合性能。因此，有必要進一步了解仿生結構減阻作用，基于仿生減阻研究的相關規(guī)律，實現(xiàn)提高換熱結構綜合性能的優(yōu)化設計。

表1 不同強化傳熱仿生結構的研究參數與強化效果

2 仿生學表面減阻技術的研究進展

作為與外界環(huán)境直接接觸的生物體體表，都存在一些特有的表面結構來適應生存環(huán)境的演變。仿生表面減阻技術通過研究自然界動植物表面形態(tài)，模擬和設計與之相似的非光滑表面，以獲得其減阻特性，降低設備能源損耗。目前，常見的仿生表面減阻技術有：溝槽表面減阻、凹坑凸包表面減阻以及超疏水表面減阻[17-18]。

2.1 溝槽表面減阻

通過對海水中游速較快的鯊魚的表皮進行觀察，發(fā)現(xiàn)其表面分布有類似圓谷狀的非光滑盾鱗結構，且盾鱗上排布著與游動方向平行的間斷式肋狀溝槽結構，具體如圖3所示。這些細小溝槽結構的存在能夠改善鯊魚表皮附近流體的流動狀態(tài)，起到有效的減阻效果[19-20]。

圖3 鯊魚皮表面結構

Bai等[21]采用數值模擬的方法研究了V形、鋸齒形、矩形、半圓形四種截面形狀溝槽結構的減阻性能，減阻效率由高到低依次為：鋸齒形溝槽、V形溝槽、矩形溝槽、半圓形溝槽。相比光滑表面，當來流速度為40m/s時，鋸齒形溝槽表面減阻效率最高可達33%。

Andrius等[22]采用皮秒紫外激光燒蝕技術在預先加熱的聚四氟乙烯試件上加工出了矩形溝槽。通過測量溝槽表面與流動空氣之間的摩擦力，并與光滑聚四氟乙烯表面進行對比發(fā)現(xiàn)，當矩形溝槽無量綱間距在14～20范圍內時，仿生溝槽表面有最佳減阻效率（6%）。

劉志華等[23]在前人試驗研究V形溝槽表面減阻性能的基礎上，開展了V形溝槽尖峰圓角半徑對減阻效果影響的數值模擬研究。模擬結果表明，溝槽表面減阻效果隨圓角半徑的減小而增大，當溝槽尖峰處無圓角時，溝槽表面減阻效果能達到最大值的6.6%。

秦立果等[24]使用掃描電子顯微鏡觀察了虎鯊表皮的形貌特征，對鱗片表面肋脊進行簡化，獲得了5個矩形微凸體構成的盾鱗結構，如圖4所示。以矩形溝槽為參照，對交錯和對齊排布的簡化盾鱗溝槽進行了流體動力學仿真，發(fā)現(xiàn)簡化盾鱗溝槽的減阻效果優(yōu)于矩形溝槽。當流體流速為5m/s，盾鱗結構對齊排布時，仿生溝槽表面的減阻效果最好，為17.86%。

目前對于溝槽結構的減阻機理主要有兩種觀點：第二渦群論[25]和突出高度論[26]。第二渦群論認為反向旋轉流向渦與溝槽尖角相互作用形成二次渦群，阻礙了流向渦與溝槽底部低速流體的聯(lián)系，減弱了邊界層附近的動量交換，從而降低摩擦阻力；突出高度論認為，溝槽尖角到平面表觀起點的區(qū)域內，大部分流體受黏性作用影響，流速較低，因此湍流運動引起的瞬時橫流受到阻礙，近壁面邊界層內流動剪切應力減小，摩擦阻力因此降低[4]。

2.2 凹坑凸包表面減阻

在土壤中生活的蜣螂體表存在密集排列的凹坑陣列結構，該結構能減少泥土在蜣螂體表附著，并且降低蜣螂在土壤中行進受到的阻力[27]。在水中游動速度較快的黃緣真龍虱、鯉魚、中華鱘魚等生物體表存在著的凹坑、凸包等非光滑表面結構，同樣能減小其在水中游動時的阻力[28-29]。凹坑、凸包結構表面如圖5所示。

圖4 虎鯊表皮和簡化盾鱗結構

圖5 表面凹坑、凸包微結構

以凹坑的深度、形狀及分布形式為變量，王國榮等[30]數值研究了凹坑圓柱繞流減阻特性，物理模型如圖6所示。結果表明，相較于球面形凹坑和矩形分布凹坑，圓柱形凹坑和菱形分布凹坑圓柱繞流平均阻力系數更小。當雷諾數為40000、凹坑深度為凹坑直徑的0.015倍、凹坑形狀為圓柱形、分布形式為菱形時，凹坑圓柱繞流的平均阻力系數最小，相比光滑圓柱下降了18%。

圖6 凹坑圓柱整體示意

周明剛等[31]設計了一種凸包非光滑表面船殼，并對其在水田泥漿中工作時的減阻特性進行了數值模擬。發(fā)現(xiàn)凸包非光滑表面的減阻率隨著凸包高度、直徑、間距的增大先增大后減小。當凸包高度為6mm、直徑為8mm、間距為35mm時，非光滑表面減阻效果最佳，為9.33%。

周敬東等[32]同時考察了圓形凹坑、凸包兩種結構對船式拖拉機船殼表面減阻特性的影響。通過建立幾何模型，對不同直徑、深度的凹坑、凸包結構進行數值分析，發(fā)現(xiàn)當直徑為18mm、深度為11mm時，凹坑表面具有最優(yōu)減阻率12.7%；當直徑為18mm、深度為15mm時，凸包表面減阻率最大達到9.76%。

目前，關于凹坑凸包結構表面減阻機理的分析主要有：凹坑區(qū)域內產生的二次流與表面主流體形成渦墊效應，減小了壁面與流體的黏性阻力，凹坑區(qū)域附近流體的速度梯度和剪切應力也因此減小，從而獲得減阻效果[33]；流體流經陣列排布凸包結構的非光滑表面時，會在相鄰凸包結構之間形成低速流帶，減少了表面主流體與壁面直接液固接觸面積，且凸包結構下游處的回流現(xiàn)象進一步減小了凸包結構附近流體的速度梯度，增加了邊界層厚度，從而降低摩擦阻力[34]。

2.3 超疏水表面減阻

自然界中很多動植物表面都具備超疏水特性，如荷葉表面、水稻葉表面、水黽、蝴蝶的翅膀、玫瑰的花瓣等。荷葉表面存在一定粗糙度的微納結構，使得水滴能在荷葉表面滑過，帶走表面的污染物，這就是廣為人知的“荷葉效應”[35]，荷葉表面形貌及自清潔機制如圖7所示[36]。

圖7 荷葉表面形貌和自清潔機制

Watanabe[37]受“荷葉效應”的啟發(fā)，率先對表面涂覆疏水性氟烷烴直徑分別為6mm和12mm圓形管道內質量分數為0、20%、30%的甘油自來水溶液進行流動特性試驗研究，通過測量速度和壓降，發(fā)現(xiàn)層流狀態(tài)下該疏水表面有14%的減阻效果。

Woolford等[38]利用粒子圖像測試技術觀測和研究了由肋和腔微結構交替組成的超疏水表面的減阻特性，發(fā)現(xiàn)當表面肋結構方向與來流方向一致時，超疏水表面具有最佳的11%的減阻效果，然而當肋結構方向與來流方向垂直時，制備的超疏水表面反而出現(xiàn)增阻現(xiàn)象。

姚朝暉等[39]制備了微米柱陣列結構表面和涂覆納米二氧化硅粒子的微米柱陣列復合結構表面兩種超疏水表面，用于研究微納結構對超疏水表面流體流動形態(tài)及減阻效果的影響。實驗測量和理論計算的結果表明，最大減阻率38.6%出現(xiàn)在湍流狀態(tài)下的復合結構超疏水表面。

具備微納結構是超疏水表面減阻的必要條件之一，目前研究者普遍認可的減阻機制是壁面滑移理論[40-41]：當流體流經疏水表面時，由于表面張力的存在，無法帶走微納結構處滯留的氣體，氣液接觸產生渦墊效應，造成邊界層流體速度滑移，穩(wěn)定近壁面層流邊界層，從而達到減阻效果。目前，有關涂層或燒結技術直接獲得的非規(guī)則微納結構超疏水表面，與光刻加工規(guī)則微納結構再經疏水處理獲得的超疏水表面之間的流動特性差異還未揭示，且親疏水復合處理表面減阻技術的研究有待補充與深入。

表2中列出了上述文獻中仿生減阻表面的部分關鍵參數與最佳減阻率。從研究結果中發(fā)現(xiàn)，溝槽結構、凹坑凸包、超疏水微納結構表面都能夠有效地降低介質流動阻力，其中以荷葉為仿生對象的超疏水微納結構表面最大減阻率可達到38.6%，應用前景廣闊。隨著微尺度加工技術的日益發(fā)展，微通道換熱器以其高效緊湊的特點，在體積質量受限的換熱工況中受到廣泛關注。從表1和表2中看出，各類仿生結構參數大都以微納尺寸為主，為實現(xiàn)微尺度強化傳熱，可將仿生微納減阻結構應用于微通道換熱器的優(yōu)化設計。

表2 不同減阻仿生結構的研究參數與減阻效果

3 仿生技術在微通道結構優(yōu)化中的應用

20世紀末，隨著微機電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，興起了微納尺度傳熱問題的研究熱潮，微通道換熱器應運而生。微通道換熱器以其自重輕、體積小、結構緊湊、傳熱效率高等優(yōu)點，在解決能源動力、航空航天、微電子技術等先進工程領域微型設備器件的高熱負荷散熱問題中極具前景。

為適應電子器件設備的更新速率，通過采用微肋、凹槽、陣肋、凹坑、凸臺等被動強化傳熱結構，能夠進一步提高微通道熱沉的換熱效率，但是無法有效控制微通道內阻力的增長幅度[42-44]。近年來，隨著微加工技術逐漸精進，一些受自然事物啟發(fā)，如魚鱗、葉脈、荷葉等，以優(yōu)化阻力特性為主要目的，設計新穎、整體性能優(yōu)越的仿生微通道換熱器逐漸涌現(xiàn)。

3.1 魚鱗結構

圖8 兩種帶劈縫球凸結構微通道模型

郭丁彰等[45]受鯊魚皮結構的啟發(fā)，對表面球凸結構[46]進行仿生學優(yōu)化，得到了兩種形狀不同的帶劈縫球凸結構微通道，如圖8所示。通過數值研究發(fā)現(xiàn)，部分流體撞擊球凸結構前端，速度增加，熱邊界層發(fā)展中斷，球凸結構后端流動分離，形成渦流，增強了通道中心主流與近壁面層流邊界層在軸向和法向上的流動混合，強化傳熱；劈縫的引入，有利于擴大換熱面積，推動主流體向側壁流動，促進流動混合，改善溫度分布。與光滑球凸結構相比，當雷諾數為50、劈縫寬度為15μm、劈縫中心線在球凸直徑上的相對位置為0.33時，直劈縫球凸結構微通道的摩擦系數最大減小約3.7%；當雷諾數為300、劈縫寬度為10μm、劈縫中心線在球凸直徑上的相對位置為0.33時，直劈縫球凸結構微通道的努塞爾數最大增加約8.8%。

為強化由光滑圓管和圓柱形插入件構成的環(huán)形微通道內的換熱，Goh等[47]在光滑圓柱形插入件表面車削加工出了與流體流動方向相反的環(huán)形魚鱗結構。以魚鱗的高度和間距作為結構變量進行數值模擬和實驗研究，結果表明反向環(huán)形魚鱗結構的布置，一方面擴大了對流換熱面積，另一方面增大了湍流強度，破壞了流動邊界層和熱邊界層的發(fā)展。當雷諾數為4300、魚鱗高度為0.21mm、節(jié)距為2.1mm時，微通道對流換熱系數最大為52.8kW/(m2·K)，與光滑通道相比提升了111.2%；當雷諾數小于2000、魚鱗相對高度為0.1時，仿生環(huán)形微通道的摩擦系數小于光滑環(huán)形微通道，最大相差14.3%。

Dey等[48]對布置不同傾角高度扇形魚鱗仿生結構的微通道進行了流動和傳熱特性研究。圖9為三軸數控微型銑床加工的扇形魚鱗結構顯微圖像及部分結構尺寸。研究結果表明，受傾斜扇形魚鱗結構引導，流體向通道上部偏移流動，對上壁面沖刷作用增強，同時仿生結構后端流體流速較低，形成逆壓梯度，產生渦流，促進了冷熱流體的混合。與光滑微通道相比，當通道水力直徑為193.5μm、魚鱗結構的傾角高度為5μm時，仿生結構微通道內摩擦系數最多減少5%，努塞爾數最大增加14%。

圖9 微通道內魚鱗結構的顯微圖像

3.2 葉脈分形結構

基于植物葉脈分形網絡高效的傳輸能力，譚慧等[49]設計了一種葉脈型微通道熱沉，如圖10所示?？紤]到多熱源工況，對圖10(b)中葉脈型微通道的結構進行適當優(yōu)化，將側脈分形角度修正為90°，并采用雙葉脈型微通道并聯(lián)的熱沉結構。以最小化熱源溫度標準差為目標，對葉脈型微通道熱沉展開數值仿真和實驗研究。相比傳統(tǒng)平行微通道，引入對稱葉脈分形結構，熱源溫度的標準差和微通道熱沉的壓降分別降低了19.5%和2.3%。

Huang等[50]綜合考慮分形結構與擴縮結構對微通道傳熱與流動特性的影響，設計了兩種耦合結構微通道：帶空腔分形微通道和帶微肋分形微通道。數值模擬的結果表明，分叉的存在導致主流體分流，通道內壁沖刷作用增強；引入空腔結構有利于誘發(fā)二次流；引入微肋結構有利于進一步破壞通道內壁面附近流動邊界層。與光滑分形微通道相比，在相同泵功0.02W消耗下，帶微肋分形微通道的努塞爾數最大增加17%。

Xu等[51]采用實驗結合數值模擬的方法，研究了多層分形硅微通道散熱器的傳熱和流動特性。微通道散熱器具有3級分支通道，分形角分別為44°、40°和32°。研究結果表明，在工質體積流量相同的情況下，5層分形結構微通道熱阻和壓降最小，相比單層分形結構通道分別可降低30%和60%。

圖10 基于植物葉脈的分形微通道

3.3 表面改性

基于荷葉等動植物表面的自清潔特性，李小磊等[52]通過激光加工、自組裝分子膜技術和化學涂覆的方法，制備了壁面接觸角分別為40°、114.6°、142.7°、155.4°四種不同潤濕性表面。采用PIV粒子成像技術，觀測了上述四種表面兩兩組裝構建的微通道內流體流動特性，發(fā)現(xiàn)疏水壁面處會產生速度滑移，且滑移速度和滑移長度均與疏水性呈正相關。當兩側壁面均為155.4°的超疏水壁面時，微通道內流體平均流速最大，即減阻效果最好。

羅小平等[53]采用電火花切割技術加工微細通道，通過打磨、清洗獲得壁面接觸角為67°的普通親水表面，再對上述表面分別進行氯化銅溶液和氟硅烷-乙醇溶液修飾，獲得壁面接觸角為0°和156°的超親水和超疏水表面。通過實驗研究了R141b在上述三種不同潤濕性表面矩形微細通道內的流動沸騰壓降特性。結果表明，超疏水表面微細通道內兩相摩擦壓降最大，超親水表面微細通道內摩擦壓降最小，最大相差約21.9%。這是由于超疏水通道內汽泡受到較大的表面張力，不易脫離，容易形成大汽泡，增大了與液膜及壁面間的兩相摩擦壓降。

袁金斗等[54]采用絲網燒結和聚四氟乙烯溶液浸漬法，獲得了親疏水匹配結構銅基表面，如圖11所示。通過與壁面接觸角分別為22.6°和135°的全親水和全疏水表面微通道做熱性能對比實驗，發(fā)現(xiàn)親疏水匹配表面?zhèn)鳠嵯禂底罡叻謩e增加了454.6%和107.3%。分析液滴成核、聚并、沖刷的過程指出，在聚四氟乙烯疏水涂層表面陣列排布橢圓形親水點，一方面親水點區(qū)域冷凝成核能壘小，蒸氣冷凝速率增加；另一方面親水點會對周圍疏水區(qū)域的冷凝微滴產生吸引作用，促進液滴合并，減薄疏水區(qū)域液膜厚度。

圖11 親疏水匹配表面

表3列出了上述仿生微通道結構的部分研究參數與優(yōu)化效果。從表中可以看出，與傳統(tǒng)微通道結構相比，仿生結構能夠在消耗更少泵功的情況下提高微通道的傳熱性能，例如文獻[47]提出的魚鱗仿生環(huán)形微通道傳熱系數提高了111.2%，同時摩擦阻力最大能減小14.3%，為仿生結構應用于微通道結構優(yōu)化設計提供了借鑒性與可行性。然而，分析現(xiàn)有的文獻發(fā)現(xiàn)，目前微尺度仿生優(yōu)化結構仍停留在簡化和形仿階段，結構優(yōu)化方向不明確，而且仿生對象單一，結構影響規(guī)律以及傳熱減阻機理沒有統(tǒng)一定論，有待深入研究與探索。

4 結語

本文綜述了仿生結構在強化傳熱與流動減阻技術的研究現(xiàn)狀，分析討論了各類仿生傳熱結構性能特征與傳熱機理，總結了仿生減阻結構流動特性與減阻機理?？偟膩碚f，仿生傳熱結構形式多樣，尤其是在傳統(tǒng)傳熱結構的基礎上進行仿生優(yōu)化耦合，能夠獲得明顯的強化傳熱效果；減阻仿生結構類型相對集中，結構參數及減阻機理的研究初步完善，簡化盾鱗溝槽結構、凹坑凸包組合結構以及具備規(guī)則微納結構的超疏水表面等減阻結構具有廣闊的研究前景。

表3 不同微通道仿生結構的研究參數與優(yōu)化效果

目前，關于仿生結構強化傳熱與流動減阻技術的研究已經取得階段性成果，但將仿生技術應用于微通道結構優(yōu)化設計還處于起步階段，研究工作還存在許多不足之處。相比帶劈縫球凸結構，環(huán)形魚鱗結構和扇形魚鱗結構仍停留在簡化和形仿階段，且三種魚鱗結構關聯(lián)性不大，魚鱗結構的優(yōu)化方向不明確；對于葉脈分形結構而言，可考慮與如微肋、凹槽及擾流柱等常規(guī)強化傳熱結構的耦合作用，以及完善相變工況下分形結構通道內流體流動及傳熱特性的研究；親疏水匹配表面以及親疏水復合微納結構表面是微通道表面改性強化傳熱方法的重要發(fā)展方向。

綜上，基于各類仿生結構優(yōu)化設計的相關研究，未來微尺度仿生結構的研究工作可從以下方面進行。

（1）分析生物表面結構多種特性相互影響機制，實現(xiàn)仿生結構耦合設計。

（2）基于觀測工具及仿真軟件的發(fā)展，解決模仿宏-微觀跨尺度表面結構的難題，合理簡化與優(yōu)化仿生結構。

（3）微尺度下流動與傳熱特性仍處于摸索階段，仿生結構的引入對其強化傳熱機理的研究提出了新的挑戰(zhàn)。