基于犬舌舌背微结构的仿生表面液膜蒸发换热性能研究

犬通过蒸发舌背表面唾液，冷却舌体内部血液实现体温的调节。开展犬舌舌背的仿生研究, 可为用于液膜蒸发换热强化的热功能微结构的形态及尺寸设计提供依据。本项目拟进行犬舌舌背表面微结构形貌的测量与分析，建立其参数化仿生模型,制备仿生热功能微结构试验样件；研究仿生微结构表面液膜流动特征及固液界面力学效应，分析仿生微结构对液膜自由面瞬时流动状态及液膜内部流场的影响；精确测量仿生微结构表面的蒸发换热系数，研究其强化液膜蒸发换热能力，通过微观测量手段及计算技术研究仿生微结构表面受热液膜在热流密度增加过程中的时空演化过程，初步揭示仿生微结构表面对流场及温度场协同作用机理。项目的开展不仅可以丰富仿生学的内容，还为解决高热流密度下强化换热表面的研究提供新思路，既有重要的学术意义，还具有广阔的工程应用前景。

液膜蒸发换热因其具有小流量、小温差、高传热传质系数高、结构简单且动力消耗小等独特优点，广泛存在于动力、核能、制冷、化工、制药、航空航天、微电子等工业领域。如何设计适合液膜蒸发换热的微结构表面来控制液膜流动形态和液膜厚度，对于提高液膜蒸发换热性能具有重要的作用。本项目受犬舌换热方式与换热特性的启发，开展了基于犬舌表面结构的热功能仿生表面的液膜铺展、流动及换热性能影响的研究，为解决高热流密度下强化换热表面的研究提供新思路。项目完成了预期的研究任务，具体如下：.（1）犬舌表面形态学研究及其仿生模型的建立.　　应用激光扫描共聚焦显微镜以及正立式显微镜对犬舌表面微结构特征进行了观察与测量，提取了生物表面的特征信息，并以此为依据建立仿生表面的物理模型，应用高精密线切割机床加工了仿生微结构表面试验样件。.（2）预湿犬舌仿生表面液膜铺展特性分析.　　应用在于VOF模型的数值模拟和高速摄像试验，对比光滑表面研究了液体在预湿仿生微结构表面的液膜铺展过程，分析了液膜厚度及液膜内部流场。仿生微结构表面液体的毛细效应远大于重力作用，促进液膜在流向与展向的质量传递。液体在每个微结构单元后方形成对转涡。伴随流体向下游流动，对转涡在展向扩展加剧。而且，在每一个微结构顶部中间，产生两个小低速涡，最大速度位于顶部微结构小尖处，这种速度分布加速了液体在流向上的质量传递。.（3）犬舌表面仿生结构表面液膜蒸发换热性能试验研究.　　应用蒸发换热试验装置，测量了仿生表面和光滑表面的液膜侧蒸发传热系数，对比分析了温度、流量和表面结构对液膜蒸发传热的影响。结果表明，在相同流量和温度下，仿生表面的液膜蒸发传热系数比光滑表面的液膜蒸发传热系数最多增加17.3%。.（4）犬舌表面仿生微结构表面液膜蒸发换热性能数值模拟.　　应用基于Mixture模型的数值模拟，对比分析了不同表面结构及不同单元体排布方式的表面对表面传热性能的影响，结合液膜铺展模拟与试验的相关结论，初步揭示了液膜在仿生表面蒸发传热的机理。犬舌仿生微结构表面特定的构形、尺寸以及排布方式，不仅增大了传热面积，而且微结构附近形成对转涡促进了液膜在仿生表面的质量交换，增强了换热性能。