李娟，朱章鈺，翟昊，王嘉洛

（南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇南京210037）

仿生學(xué)始于20世紀(jì)60年代，是生物學(xué)、材料學(xué)和工程技術(shù)學(xué)科相結(jié)合的新型交叉學(xué)科。針對工程和生產(chǎn)實(shí)踐提出的技術(shù)問題，仿生學(xué)以生物為研究對象，通過借鑒、簡化生物體的外形結(jié)構(gòu)、功能行為及其調(diào)節(jié)機(jī)制應(yīng)用于工程實(shí)踐，極大地提高了人類對自然的適應(yīng)和改造能力，產(chǎn)生了巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

近年來，眾多研究人員由自然界中廣泛存在的強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象以及生物體非光滑表面結(jié)構(gòu)受到啟發(fā)，將其模擬應(yīng)用于換熱器、汽車車身、水中航行體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，獲得了不錯(cuò)的強(qiáng)化傳熱與減阻效果。這對于提高設(shè)備能源利用效率、緩解工業(yè)領(lǐng)域高能耗問題具有重大意義[3-5]。

目前，將仿生優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)用于強(qiáng)化傳熱及表面減阻的研究較多，但在體積和質(zhì)量受限的微尺度傳熱領(lǐng)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(jié)構(gòu)，強(qiáng)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(jié)構(gòu)的超疏水表面等仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)用于流動(dòng)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(shè)計(jì)的最終目標(biāo)，尤其是在微尺度傳熱領(lǐng)域，如何考慮耦合設(shè)計(jì)仿生傳熱元件的綜合性能，提高傳熱效率的同時(shí)降低流動(dòng)阻力，仍是強(qiáng)化傳熱技術(shù)領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)。本文從單相、相變強(qiáng)化傳熱及表面減阻等方面，綜述了仿生強(qiáng)化傳熱與減阻技術(shù)的研究進(jìn)展，并結(jié)合微尺度傳熱結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢，指出微尺度仿生結(jié)構(gòu)現(xiàn)有研究的不足，提出了高效低阻強(qiáng)化傳熱仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性，有望對微通道換熱器的設(shè)計(jì)和研究提供參考。

1 仿生學(xué)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究進(jìn)展

換熱器作為化工電力、航空動(dòng)力等工業(yè)領(lǐng)域的通用設(shè)備，提高其傳熱性能對于節(jié)能減排戰(zhàn)略具有重要推動(dòng)作用。受動(dòng)植物部分組織結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，學(xué)者們將仿生學(xué)原理引入無源強(qiáng)化傳熱技術(shù)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)換熱元件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在很大程度上決定了換熱器的性能。

圖1 仿生強(qiáng)化單相傳熱結(jié)構(gòu)

劉景成等[6]通過對鯊魚鰓周圍流體流動(dòng)狀態(tài)的考察，提出了一種鯊鰓型翅片結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示，用于改善板翅式換熱器內(nèi)流體流動(dòng)及傳熱。通過調(diào)整開口尺寸1～6mm和角度5°～30°，建立了12個(gè)鯊魚腮翅片換熱器流道模型，數(shù)值研究了換熱器內(nèi)速度、壓力、溫度以及湍流強(qiáng)度的分布情況。在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，速度變化、溫度變化及湍流強(qiáng)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(shí)驗(yàn)研究了魷魚鰭正弦波紋結(jié)構(gòu)CPU散熱片內(nèi)Fe3O4-CNTs納米流體的流動(dòng)及傳熱特性，仿生結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。以去離子水為參照，探究納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和波長對新型仿生CPU散熱片性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、魷魚鰭表面波長為6.75mm時(shí)，仿生CPU散熱片的傳熱強(qiáng)化效果最大為13.27%，同時(shí)增加了7.56%的流動(dòng)阻耗。

靳遵龍等[8]設(shè)計(jì)了一種仿生竹節(jié)強(qiáng)化傳熱管，并采用數(shù)值模擬的方法對4種不同竹節(jié)間距和邊長的強(qiáng)化管模型進(jìn)行了流動(dòng)和傳熱特性分析。與光滑管模型相比，仿生竹節(jié)強(qiáng)化管換熱系數(shù)的提升最多可達(dá)57%，流動(dòng)阻力的消耗最少增加26%。當(dāng)竹節(jié)間距、邊長分別為20mm和5mm時(shí)，仿生結(jié)構(gòu)的綜合強(qiáng)化傳熱效果最好。

張凱等[9]將丁胞強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)與座頭鯨鰭片凸起結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種新型仿生結(jié)構(gòu)強(qiáng)化管，如圖1(c)所示。對去離子水在仿生管和丁胞管內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值仿真分析和對比，結(jié)果表明在低雷諾數(shù)工況下，仿生管阻耗較高的同時(shí)，傳熱系數(shù)的提升更為明顯。當(dāng)雷諾數(shù)為104、丁胞結(jié)構(gòu)軸向間距為20mm、鰭片凸起個(gè)數(shù)為6、相對深度為0.421時(shí)，新型仿生結(jié)構(gòu)強(qiáng)化管的整體性能最佳。

基于墨魚鰭振幅從中部到兩側(cè)逐漸增大的結(jié)構(gòu)特性，Liang等[10]設(shè)計(jì)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(shù)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(qiáng)化傳熱的效果雖然降低了15.6%～25.9%，但同時(shí)阻力的消耗減小了93.4%～269.5%。當(dāng)雷諾數(shù)為1800、波紋周期為40mm、波紋振幅為5.4mm時(shí)，新型仿生圓管綜合性能因子最高，為2.62。

基于無源強(qiáng)化傳熱理論，強(qiáng)化單相對流傳熱的三種途徑為：增加換熱面積、加大對數(shù)平均溫差和提高傳熱系數(shù)。介于換熱設(shè)備實(shí)際應(yīng)用的體積、成本及冷熱工質(zhì)溫度限制，提高傳熱系數(shù)是強(qiáng)化傳熱的最有效途徑。通過分析可以看出，上述仿生結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱的機(jī)理主要是基于改變流體流動(dòng)條件，增大流體紊流程度，從而提高傳熱系數(shù)。鯊魚鰓型翅片促進(jìn)了同層翅片不同流道內(nèi)流體的混合，增強(qiáng)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(qiáng)了流體流動(dòng)過程中的擾動(dòng)，同時(shí)納米顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)會進(jìn)一步破壞層流邊界層；周期性分布的竹節(jié)凸起結(jié)構(gòu)造成了流動(dòng)截面積的突擴(kuò)突縮，引發(fā)了縱向渦流，促進(jìn)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(jié)構(gòu)強(qiáng)化管中，鰭片凸起結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增大了近壁面處流體的徑向分速度，不僅增強(qiáng)了對壁面的沖刷效果，而且擴(kuò)大了丁胞后方縱向渦的影響區(qū)域，促進(jìn)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(zhuǎn)的縱向渦，破壞了層流底層，增強(qiáng)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(jié)時(shí)發(fā)生的熱量傳遞過程?；诜律鷮W(xué)原理優(yōu)化換熱表面結(jié)構(gòu)，有利于改善氣-液相變過程，降低工質(zhì)蒸發(fā)及冷凝熱阻，提高傳熱效率。

基于植物葉片表面結(jié)構(gòu)的蒸騰散熱特性，趙雨亭等[11]設(shè)計(jì)了一種仿生葉脈分形微結(jié)構(gòu)表面，用于強(qiáng)化平板熱管冷凝端的傳熱，仿葉脈槽道結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。以分形角為結(jié)構(gòu)變量做葉脈形結(jié)構(gòu)平板熱管與傳統(tǒng)平板熱管的熱性能對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)分形角為80°、加熱功率為80W、充液率為35%時(shí)，仿生結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)啟發(fā)，構(gòu)建了錐形毛細(xì)芯平板熱管，兩種錐形結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。其中，仿生平板熱管底部壁面分布有254個(gè)錐形毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)。通過分析熱性能實(shí)驗(yàn)獲得的熱管熱阻發(fā)現(xiàn)，錐形毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)經(jīng)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(jīng)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(xué)刻蝕法制備了超親水乳突和超疏水表面組合結(jié)構(gòu)，用于強(qiáng)化冷凝傳熱。在充液率為10%的實(shí)驗(yàn)工況下，調(diào)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(jié)構(gòu)表面的冷凝傳熱系數(shù)。當(dāng)過冷度為5K時(shí)，仿生表面冷凝傳熱系數(shù)達(dá)到最大，為80kW/(m2·K)，比光滑銅表面增加了380%。

圖2 仿生強(qiáng)化相變傳熱結(jié)構(gòu)

蟬翼表面的錐形納米乳突陣列結(jié)構(gòu)能有效聚合微小液滴，實(shí)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(shí)現(xiàn)小尺度冷凝微滴高密度自更新的仿生納米針構(gòu)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(shí)間變化。實(shí)驗(yàn)研究了不同生長時(shí)間納米針構(gòu)型表面的冷凝傳熱特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)生長時(shí)間為30min，納米針間距、直徑、高度分別為92nm、10nm、2.1μm時(shí)，該納米針構(gòu)型表面冷凝傳熱系數(shù)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(fù)合結(jié)構(gòu)的高效集水特性為設(shè)計(jì)依據(jù)，制備了一種嵌有規(guī)則微米柱陣列結(jié)構(gòu)的硅表面，如圖2(d)所示。該表面微米柱結(jié)構(gòu)頂部因氧化硅膜層呈親水性，微米柱側(cè)壁和納米級粗糙元經(jīng)低表面能化學(xué)修飾呈疏水性。通過熱性能實(shí)驗(yàn)考察了微米柱直徑6μm、高度7μm、間距12μm、18μm、24μm工況下，該仿生結(jié)構(gòu)表面的冷凝傳熱特性。當(dāng)飽和蒸汽壓為3.17kPa、微米柱間距為12μm時(shí)，該仿生親疏水復(fù)合表面冷凝傳熱系數(shù)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(dòng)、脫離是影響蒸發(fā)和冷凝熱阻的關(guān)鍵。從上述研究中可知，仿生結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)化氣泡和液滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。葉脈分形結(jié)構(gòu)的毛細(xì)作用能及時(shí)帶走周圍裸露銅基表面形成的冷凝液，促進(jìn)換熱循環(huán)；錐形毛細(xì)芯內(nèi)部多尺度孔隙結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)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(chǎn)生的拉普拉斯壓差作用而流向乳突底部，此時(shí)受乳突內(nèi)部微小通道產(chǎn)生的毛細(xì)吸力作用，液滴被吸入乳突內(nèi)部，當(dāng)乳突內(nèi)液體飽和時(shí)，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(gòu)型，保證固液接觸形式為點(diǎn)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(shí)現(xiàn)自彈射去除，降低冷凝微滴的驅(qū)離尺寸；采用親疏水復(fù)合微米柱陣列結(jié)構(gòu)，在疏水納米針表面的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(jìn)了冷凝微滴的自彈射去除。

表1總結(jié)了以上仿生強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)的尺寸、工況等參數(shù)以及對傳熱、流動(dòng)性能的增幅、減益效果。通過分析表中數(shù)據(jù)可知，由于流動(dòng)介質(zhì)、流速、溫度等工況參數(shù)不同，客觀評價(jià)各類仿生結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱效果優(yōu)劣十分困難。但是與傳統(tǒng)傳熱結(jié)構(gòu)相比，不可否認(rèn)仿生強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢，如墨魚鰭紐帶插入件強(qiáng)化率最高達(dá)到了5.8倍。然而，從文獻(xiàn)數(shù)據(jù)中也看到其流動(dòng)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(jìn)一步了解仿生結(jié)構(gòu)減阻作用，基于仿生減阻研究的相關(guān)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)提高換熱結(jié)構(gòu)綜合性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 不同強(qiáng)化傳熱仿生結(jié)構(gòu)的研究參數(shù)與強(qiáng)化效果

2 仿生學(xué)表面減阻技術(shù)的研究進(jìn)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(jié)構(gòu)來適應(yīng)生存環(huán)境的演變。仿生表面減阻技術(shù)通過研究自然界動(dòng)植物表面形態(tài)，模擬和設(shè)計(jì)與之相似的非光滑表面，以獲得其減阻特性，降低設(shè)備能源損耗。目前，常見的仿生表面減阻技術(shù)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(jìn)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(jié)構(gòu)，且盾鱗上排布著與游動(dòng)方向平行的間斷式肋狀溝槽結(jié)構(gòu)，具體如圖3所示。這些細(xì)小溝槽結(jié)構(gòu)的存在能夠改善鯊魚表皮附近流體的流動(dòng)狀態(tài)，起到有效的減阻效果[19-20]。

圖3 鯊魚皮表面結(jié)構(gòu)

Bai等[21]采用數(shù)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(jié)構(gòu)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(dāng)來流速度為40m/s時(shí)，鋸齒形溝槽表面減阻效率最高可達(dá)33%。

Andrius等[22]采用皮秒紫外激光燒蝕技術(shù)在預(yù)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(dòng)空氣之間的摩擦力，并與光滑聚四氟乙烯表面進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)矩形溝槽無量綱間距在14～20范圍內(nèi)時(shí)，仿生溝槽表面有最佳減阻效率（6%）。

劉志華等[23]在前人試驗(yàn)研究V形溝槽表面減阻性能的基礎(chǔ)上，開展了V形溝槽尖峰圓角半徑對減阻效果影響的數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果表明，溝槽表面減阻效果隨圓角半徑的減小而增大，當(dāng)溝槽尖峰處無圓角時(shí)，溝槽表面減阻效果能達(dá)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(jìn)行簡化，獲得了5個(gè)矩形微凸體構(gòu)成的盾鱗結(jié)構(gòu)，如圖4所示。以矩形溝槽為參照，對交錯(cuò)和對齊排布的簡化盾鱗溝槽進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)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(dāng)流體流速為5m/s，盾鱗結(jié)構(gòu)對齊排布時(shí)，仿生溝槽表面的減阻效果最好，為17.86%。

目前對于溝槽結(jié)構(gòu)的減阻機(jī)理主要有兩種觀點(diǎn)：第二渦群論[25]和突出高度論[26]。第二渦群論認(rèn)為反向旋轉(zhuǎn)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(dòng)量交換，從而降低摩擦阻力；突出高度論認(rèn)為，溝槽尖角到平面表觀起點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)，大部分流體受黏性作用影響，流速較低，因此湍流運(yùn)動(dòng)引起的瞬時(shí)橫流受到阻礙，近壁面邊界層內(nèi)流動(dòng)剪切應(yīng)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(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能減少泥土在蜣螂體表附著，并且降低蜣螂在土壤中行進(jìn)受到的阻力[27]。在水中游動(dòng)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(jié)構(gòu)，同樣能減小其在水中游動(dòng)時(shí)的阻力[28-29]。凹坑、凸包結(jié)構(gòu)表面如圖5所示。

圖4 虎鯊表皮和簡化盾鱗結(jié)構(gòu)

圖5 表面凹坑、凸包微結(jié)構(gòu)

以凹坑的深度、形狀及分布形式為變量，王國榮等[30]數(shù)值研究了凹坑圓柱繞流減阻特性，物理模型如圖6所示。結(jié)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(shù)更小。當(dāng)雷諾數(shù)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(shí)，凹坑圓柱繞流的平均阻力系數(shù)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(shè)計(jì)了一種凸包非光滑表面船殼，并對其在水田泥漿中工作時(shí)的減阻特性進(jìn)行了數(shù)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(dāng)凸包高度為6mm、直徑為8mm、間距為35mm時(shí)，非光滑表面減阻效果最佳，為9.33%。

周敬東等[32]同時(shí)考察了圓形凹坑、凸包兩種結(jié)構(gòu)對船式拖拉機(jī)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(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)直徑為18mm、深度為11mm時(shí)，凹坑表面具有最優(yōu)減阻率12.7%；當(dāng)直徑為18mm、深度為15mm時(shí)，凸包表面減阻率最大達(dá)到9.76%。

目前，關(guān)于凹坑凸包結(jié)構(gòu)表面減阻機(jī)理的分析主要有：凹坑區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的二次流與表面主流體形成渦墊效應(yīng)，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(yīng)力也因此減小，從而獲得減阻效果[33]；流體流經(jīng)陣列排布凸包結(jié)構(gòu)的非光滑表面時(shí)，會在相鄰?fù)拱Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)下游處的回流現(xiàn)象進(jìn)一步減小了凸包結(jié)構(gòu)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(dòng)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(jié)構(gòu)，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(yīng)”[35]，荷葉表面形貌及自清潔機(jī)制如圖7所示[36]。

圖7 荷葉表面形貌和自清潔機(jī)制

Watanabe[37]受“荷葉效應(yīng)”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(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、20%、30%的甘油自來水溶液進(jìn)行流動(dòng)特性試驗(yàn)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(shù)觀測和研究了由肋和腔微結(jié)構(gòu)交替組成的超疏水表面的減阻特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)表面肋結(jié)構(gòu)方向與來流方向一致時(shí)，超疏水表面具有最佳的11%的減阻效果，然而當(dāng)肋結(jié)構(gòu)方向與來流方向垂直時(shí)，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(jié)構(gòu)表面和涂覆納米二氧化硅粒子的微米柱陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)表面兩種超疏水表面，用于研究微納結(jié)構(gòu)對超疏水表面流體流動(dòng)形態(tài)及減阻效果的影響。實(shí)驗(yàn)測量和理論計(jì)算的結(jié)果表明，最大減阻率38.6%出現(xiàn)在湍流狀態(tài)下的復(fù)合結(jié)構(gòu)超疏水表面。

具備微納結(jié)構(gòu)是超疏水表面減阻的必要條件之一，目前研究者普遍認(rèn)可的減阻機(jī)制是壁面滑移理論[40-41]：當(dāng)流體流經(jīng)疏水表面時(shí)，由于表面張力的存在，無法帶走微納結(jié)構(gòu)處滯留的氣體，氣液接觸產(chǎn)生渦墊效應(yīng)，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(dá)到減阻效果。目前，有關(guān)涂層或燒結(jié)技術(shù)直接獲得的非規(guī)則微納結(jié)構(gòu)超疏水表面，與光刻加工規(guī)則微納結(jié)構(gòu)再經(jīng)疏水處理獲得的超疏水表面之間的流動(dòng)特性差異還未揭示，且親疏水復(fù)合處理表面減阻技術(shù)的研究有待補(bǔ)充與深入。

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

表2 不同減阻仿生結(jié)構(gòu)的研究參數(shù)與減阻效果

3 仿生技術(shù)在微通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用

20世紀(jì)末，隨著微機(jī)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(yīng)運(yùn)而生。微通道換熱器以其自重輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，在解決能源動(dòng)力、航空航天、微電子技術(shù)等先進(jìn)工程領(lǐng)域微型設(shè)備器件的高熱負(fù)荷散熱問題中極具前景。

為適應(yīng)電子器件設(shè)備的更新速率，通過采用微肋、凹槽、陣?yán)?、凹坑、凸臺等被動(dòng)強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)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(nèi)阻力的增長幅度[42-44]。近年來，隨著微加工技術(shù)逐漸精進(jìn)，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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)

圖8 兩種帶劈縫球凸結(jié)構(gòu)微通道模型

郭丁彰等[45]受鯊魚皮結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，對表面球凸結(jié)構(gòu)[46]進(jìn)行仿生學(xué)優(yōu)化，得到了兩種形狀不同的帶劈縫球凸結(jié)構(gòu)微通道，如圖8所示。通過數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，部分流體撞擊球凸結(jié)構(gòu)前端，速度增加，熱邊界層發(fā)展中斷，球凸結(jié)構(gòu)后端流動(dòng)分離，形成渦流，增強(qiáng)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(dòng)混合，強(qiáng)化傳熱；劈縫的引入，有利于擴(kuò)大換熱面積，推動(dòng)主流體向側(cè)壁流動(dòng)，促進(jìn)流動(dòng)混合，改善溫度分布。與光滑球凸結(jié)構(gòu)相比，當(dāng)雷諾數(shù)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(shí)，直劈縫球凸結(jié)構(gòu)微通道的摩擦系數(shù)最大減小約3.7%；當(dāng)雷諾數(shù)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(shí)，直劈縫球凸結(jié)構(gòu)微通道的努塞爾數(shù)最大增加約8.8%。

為強(qiáng)化由光滑圓管和圓柱形插入件構(gòu)成的環(huán)形微通道內(nèi)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(dòng)方向相反的環(huán)形魚鱗結(jié)構(gòu)。以魚鱗的高度和間距作為結(jié)構(gòu)變量進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明反向環(huán)形魚鱗結(jié)構(gòu)的布置，一方面擴(kuò)大了對流換熱面積，另一方面增大了湍流強(qiáng)度，破壞了流動(dòng)邊界層和熱邊界層的發(fā)展。當(dāng)雷諾數(shù)為4300、魚鱗高度為0.21mm、節(jié)距為2.1mm時(shí)，微通道對流換熱系數(shù)最大為52.8kW/(m2·K)，與光滑通道相比提升了111.2%；當(dāng)雷諾數(shù)小于2000、魚鱗相對高度為0.1時(shí)，仿生環(huán)形微通道的摩擦系數(shù)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(jié)構(gòu)的微通道進(jìn)行了流動(dòng)和傳熱特性研究。圖9為三軸數(shù)控微型銑床加工的扇形魚鱗結(jié)構(gòu)顯微圖像及部分結(jié)構(gòu)尺寸。研究結(jié)果表明，受傾斜扇形魚鱗結(jié)構(gòu)引導(dǎo)，流體向通道上部偏移流動(dòng)，對上壁面沖刷作用增強(qiáng)，同時(shí)仿生結(jié)構(gòu)后端流體流速較低，形成逆壓梯度，產(chǎn)生渦流，促進(jìn)了冷熱流體的混合。與光滑微通道相比，當(dāng)通道水力直徑為193.5μm、魚鱗結(jié)構(gòu)的傾角高度為5μm時(shí)，仿生結(jié)構(gòu)微通道內(nèi)摩擦系數(shù)最多減少5%，努塞爾數(shù)最大增加14%。

圖9 微通道內(nèi)魚鱗結(jié)構(gòu)的顯微圖像

3.2 葉脈分形結(jié)構(gòu)

基于植物葉脈分形網(wǎng)絡(luò)高效的傳輸能力，譚慧等[49]設(shè)計(jì)了一種葉脈型微通道熱沉，如圖10所示。考慮到多熱源工況，對圖10(b)中葉脈型微通道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，將側(cè)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(jié)構(gòu)。以最小化熱源溫度標(biāo)準(zhǔn)差為目標(biāo)，對葉脈型微通道熱沉展開數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究。相比傳統(tǒng)平行微通道，引入對稱葉脈分形結(jié)構(gòu)，熱源溫度的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)與擴(kuò)縮結(jié)構(gòu)對微通道傳熱與流動(dòng)特性的影響，設(shè)計(jì)了兩種耦合結(jié)構(gòu)微通道：帶空腔分形微通道和帶微肋分形微通道。數(shù)值模擬的結(jié)果表明，分叉的存在導(dǎo)致主流體分流，通道內(nèi)壁沖刷作用增強(qiáng)；引入空腔結(jié)構(gòu)有利于誘發(fā)二次流；引入微肋結(jié)構(gòu)有利于進(jìn)一步破壞通道內(nèi)壁面附近流動(dòng)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(shù)最大增加17%。

Xu等[51]采用實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)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(dòng)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(jié)果表明，在工質(zhì)體積流量相同的情況下，5層分形結(jié)構(gòu)微通道熱阻和壓降最小，相比單層分形結(jié)構(gòu)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(dòng)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(shù)和化學(xué)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(shù)，觀測了上述四種表面兩兩組裝構(gòu)建的微通道內(nèi)流體流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)疏水壁面處會產(chǎn)生速度滑移，且滑移速度和滑移長度均與疏水性呈正相關(guān)。當(dāng)兩側(cè)壁面均為155.4°的超疏水壁面時(shí)，微通道內(nèi)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(shù)加工微細(xì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)研究了R141b在上述三種不同潤濕性表面矩形微細(xì)通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰壓降特性。結(jié)果表明，超疏水表面微細(xì)通道內(nèi)兩相摩擦壓降最大，超親水表面微細(xì)通道內(nèi)摩擦壓降最小，最大相差約21.9%。這是由于超疏水通道內(nèi)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(wǎng)燒結(jié)和聚四氟乙烯溶液浸漬法，獲得了親疏水匹配結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)親疏水匹配表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最高分別增加了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(diǎn)，一方面親水點(diǎn)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(diǎn)會對周圍疏水區(qū)域的冷凝微滴產(chǎn)生吸引作用，促進(jìn)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(jié)構(gòu)的部分研究參數(shù)與優(yōu)化效果。從表中可以看出，與傳統(tǒng)微通道結(jié)構(gòu)相比，仿生結(jié)構(gòu)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(xiàn)[47]提出的魚鱗仿生環(huán)形微通道傳熱系數(shù)提高了111.2%，同時(shí)摩擦阻力最大能減小14.3%，為仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了借鑒性與可行性。然而，分析現(xiàn)有的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前微尺度仿生優(yōu)化結(jié)構(gòu)仍停留在簡化和形仿階段，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向不明確，而且仿生對象單一，結(jié)構(gòu)影響規(guī)律以及傳熱減阻機(jī)理沒有統(tǒng)一定論，有待深入研究與探索。

4 結(jié)語

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

表3 不同微通道仿生結(jié)構(gòu)的研究參數(shù)與優(yōu)化效果

目前，關(guān)于仿生結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱與流動(dòng)減阻技術(shù)的研究已經(jīng)取得階段性成果，但將仿生技術(shù)應(yīng)用于微通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，環(huán)形魚鱗結(jié)構(gòu)和扇形魚鱗結(jié)構(gòu)仍停留在簡化和形仿階段，且三種魚鱗結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性不大，魚鱗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向不明確；對于葉脈分形結(jié)構(gòu)而言，可考慮與如微肋、凹槽及擾流柱等常規(guī)強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)的耦合作用，以及完善相變工況下分形結(jié)構(gòu)通道內(nèi)流體流動(dòng)及傳熱特性的研究；親疏水匹配表面以及親疏水復(fù)合微納結(jié)構(gòu)表面是微通道表面改性強(qiáng)化傳熱方法的重要發(fā)展方向。

綜上，基于各類仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)研究，未來微尺度仿生結(jié)構(gòu)的研究工作可從以下方面進(jìn)行。

（1）分析生物表面結(jié)構(gòu)多種特性相互影響機(jī)制，實(shí)現(xiàn)仿生結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計(jì)。

（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(jié)構(gòu)的難題，合理簡化與優(yōu)化仿生結(jié)構(gòu)。

（3）微尺度下流動(dòng)與傳熱特性仍處于摸索階段，仿生結(jié)構(gòu)的引入對其強(qiáng)化傳熱機(jī)理的研究提出了新的挑戰(zhàn)。