化工进展 ›› 2021, Vol. 40 ›› Issue (5): 2375-2388.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1140
收稿日期:
2020-06-22
出版日期:
2021-05-06
发布日期:
2021-05-24
通讯作者:
李娟
作者简介:
李娟(1987—),女,副教授,研究方向为强化传热技术与装备。E-mail:基金资助:
LI Juan(), ZHU Zhangyu, ZHAI Hao, WANG Jialuo
Received:
2020-06-22
Online:
2021-05-06
Published:
2021-05-24
Contact:
LI Juan
摘要:
换热器优化设计对于提高设备能源利用率、缓解化工电力、航空动力等工业领域的能源短缺与余热浪费等问题具有重大意义。近年来,基于生物体表面形貌及其具备的功能,运用仿生学理论开发强化传热与流动减阻技术表现突出。本文主要综述了以仿生结构为优化设计参考,有关单相、相变强化传热以及沟槽、凹坑凸包、超疏水等流动减阻技术的研究进展,分析和总结了各类仿生结构的强化传热及减阻机理;结合微尺度高效传热的发展趋势,指出目前微尺度仿生结构研究仍停留在简化形仿阶段,结构优化方向不明确,结构参数影响规律以及传热减阻机理未有统一定论。基于微尺度对流传热高阻耗特点,本文提出了高效低阻耦合仿生结构设计以及综合性能研究的必要性,为微通道换热器优化设计提供有益指导与发展方向。
中图分类号:
李娟, 朱章钰, 翟昊, 王嘉洛. 基于仿生学的强化传热与减阻技术研究进展[J]. 化工进展, 2021, 40(5): 2375-2388.
LI Juan, ZHU Zhangyu, ZHAI Hao, WANG Jialuo. Research progress on heat transfer enhancement and surface drag reduction techniques based on bionics[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2021, 40(5): 2375-2388.
仿生对象 | 仿生结构及参数 | 研究方法 | 工质、工况 | 最佳效果 | 参考文献 |
---|---|---|---|---|---|
鲨鱼鳃 | 鲨鳃型翅片 间距1mm 厚度0.2mm 开口大小1~6mm 开口角度5°~30° | 数值模拟 | 去离子水 工质流速 u=1m·s-1 工质进口温度Tin=300K | 传热强化 阻耗增加 | [ |
鱿鱼鳍 | 正弦波纹结构 振幅2mm 波长6.75~13.05mm | 实验 | 去离子水 Fe3O4-CNTs纳米流体 Re=600-1300 | 传热强化13.27% 阻耗增加7.56% | [ |
竹节 | 竹节凸起结构 间距15~20mm 边长5~10mm | 数值模拟 | 去离子水 u=1m·s-1 Tin=300K 恒壁温 Twall=400K | 传热强化37% 阻耗增加26% | [ |
座头鲸鳍片 | 丁胞球体与鳍片凸起组合结构 球体直径4mm 凸起直径0.6mm 相对深度0.0316~0.1053 排列密度0.0402~0.0804 | 数值模拟 | 去离子水 Re=104-4.5×104 Twall=350K | 传热强化83% 阻耗增加60% | [ |
墨鱼鳍 | 带锥度波纹纽带插入件 周期40~60mm 振幅1.8~8.1mm | 实验 数值模拟 | 去离子水 Re=600~1800 | 传热强化580% 阻耗增加2300% | [ |
植物叶片 | 分形结构 一级槽道长度16mm 宽度2mm 深度0.3mm 相邻槽道长度比0.7 宽度比0.7 分形角度50°~90° | 实验 | 去离子水与水蒸气 充液率25%~45% Qhot=20~80W | 传热强化40.29% | [ |
天鹅绒竹芋 | 锥形毛细芯结构 高度2mm 底部直径1.5mm | 实验 | 去离子水与水蒸气 充液率20% 加热功率 Qhot=10~160W | 传热强化65.7% | [ |
仙人掌 | 超亲水乳突与超疏水表面组合结构 锥形乳突底部直径3mm 高度5mm 间距8mm | 实验 | 去离子水与水蒸气 充液率10% 过冷度0~14K | 传热强化380% | [ |
蝉翼 | 纳米针构型 间距84~114nm 直径7~13nm 高度0.8~2.9μm | 实验 | 去离子水与水蒸气 饱和蒸汽压7.38kPa | 传热强化320% | [ |
纳米布沙漠甲虫 | 微米柱阵列结构 直径6μm 高度7μm 间距12~24μm | 实验 | 去离子水与水蒸气 饱和蒸汽压1.93~3.17kPa | 传热强化153% | [ |
表1 不同强化传热仿生结构的研究参数与强化效果
仿生对象 | 仿生结构及参数 | 研究方法 | 工质、工况 | 最佳效果 | 参考文献 |
---|---|---|---|---|---|
鲨鱼鳃 | 鲨鳃型翅片 间距1mm 厚度0.2mm 开口大小1~6mm 开口角度5°~30° | 数值模拟 | 去离子水 工质流速 u=1m·s-1 工质进口温度Tin=300K | 传热强化 阻耗增加 | [ |
鱿鱼鳍 | 正弦波纹结构 振幅2mm 波长6.75~13.05mm | 实验 | 去离子水 Fe3O4-CNTs纳米流体 Re=600-1300 | 传热强化13.27% 阻耗增加7.56% | [ |
竹节 | 竹节凸起结构 间距15~20mm 边长5~10mm | 数值模拟 | 去离子水 u=1m·s-1 Tin=300K 恒壁温 Twall=400K | 传热强化37% 阻耗增加26% | [ |
座头鲸鳍片 | 丁胞球体与鳍片凸起组合结构 球体直径4mm 凸起直径0.6mm 相对深度0.0316~0.1053 排列密度0.0402~0.0804 | 数值模拟 | 去离子水 Re=104-4.5×104 Twall=350K | 传热强化83% 阻耗增加60% | [ |
墨鱼鳍 | 带锥度波纹纽带插入件 周期40~60mm 振幅1.8~8.1mm | 实验 数值模拟 | 去离子水 Re=600~1800 | 传热强化580% 阻耗增加2300% | [ |
植物叶片 | 分形结构 一级槽道长度16mm 宽度2mm 深度0.3mm 相邻槽道长度比0.7 宽度比0.7 分形角度50°~90° | 实验 | 去离子水与水蒸气 充液率25%~45% Qhot=20~80W | 传热强化40.29% | [ |
天鹅绒竹芋 | 锥形毛细芯结构 高度2mm 底部直径1.5mm | 实验 | 去离子水与水蒸气 充液率20% 加热功率 Qhot=10~160W | 传热强化65.7% | [ |
仙人掌 | 超亲水乳突与超疏水表面组合结构 锥形乳突底部直径3mm 高度5mm 间距8mm | 实验 | 去离子水与水蒸气 充液率10% 过冷度0~14K | 传热强化380% | [ |
蝉翼 | 纳米针构型 间距84~114nm 直径7~13nm 高度0.8~2.9μm | 实验 | 去离子水与水蒸气 饱和蒸汽压7.38kPa | 传热强化320% | [ |
纳米布沙漠甲虫 | 微米柱阵列结构 直径6μm 高度7μm 间距12~24μm | 实验 | 去离子水与水蒸气 饱和蒸汽压1.93~3.17kPa | 传热强化153% | [ |
仿生对象 | 仿生结构及参数 | 研究方法 | 工质、工况 | 最佳减阻率/% | 参考文献 |
---|---|---|---|---|---|
鲨鱼 | V形、锯齿形、矩形、半圆形沟槽 高度30μm 宽度30μm | 数值模拟 | 去离子水 u=38~55m·s-1 | 33 | [ |
鲨鱼 | 矩形沟槽 间距50~250μm 高度间距之比0.49 厚度间距之比0.12 | 实验 | 空气 V=0.83~8.3dm3·s-1 | 6 | [ |
鲨鱼 | V形沟槽 深度0.1mm 宽度0.1mm 圆角半径0~0.05mm | 数值模拟 | 牛顿流体 Re=5.22×105~7.43×106 | 6.6 | [ |
鲨鱼 | 简化盾鳞沟槽 矩形微凸体高度40μm 宽度20μm 间距60μm 长度100~500μm | 数值模拟 | 海水 u=3~9m·s-1 | 17.86 | [ |
蜣螂 | 圆形凹坑 | 数值模拟 | 去离子水 Re=4×104 | 18 | [ |
蜣螂 | 圆形凹坑 直径0.4mm 深度0.2mm 间距5mm | 数值模拟 | 空气 u=6~15m·s-1 | 18.84 | [ |
黄缘真龙虱 | 圆形凸包 高度6mm 直径8mm 间距35mm | 数值模拟 | 水田泥浆 u=0.5~4m·s-1 | 9.33 | [ |
黄缘真龙虱 | 圆形凹坑、凸包 直径8~22mm 深度5~19mm | 实验 数值模拟 | 泥浆土壤 u=3m·s-1 | 12.7 | [ |
荷叶 | 超疏水表面 | 实验 | 甘油自来水溶液 Re=1177~2137 | 14 | [ |
荷叶 | 超疏水表面 | 实验 | 去离子水 Re=4.8×103~104 | 11 | [ |
荷叶 | 超疏水表面 | 实验 | 去离子水 Re=700~4700 | 38.6 | [ |
表2 不同减阻仿生结构的研究参数与减阻效果
仿生对象 | 仿生结构及参数 | 研究方法 | 工质、工况 | 最佳减阻率/% | 参考文献 |
---|---|---|---|---|---|
鲨鱼 | V形、锯齿形、矩形、半圆形沟槽 高度30μm 宽度30μm | 数值模拟 | 去离子水 u=38~55m·s-1 | 33 | [ |
鲨鱼 | 矩形沟槽 间距50~250μm 高度间距之比0.49 厚度间距之比0.12 | 实验 | 空气 V=0.83~8.3dm3·s-1 | 6 | [ |
鲨鱼 | V形沟槽 深度0.1mm 宽度0.1mm 圆角半径0~0.05mm | 数值模拟 | 牛顿流体 Re=5.22×105~7.43×106 | 6.6 | [ |
鲨鱼 | 简化盾鳞沟槽 矩形微凸体高度40μm 宽度20μm 间距60μm 长度100~500μm | 数值模拟 | 海水 u=3~9m·s-1 | 17.86 | [ |
蜣螂 | 圆形凹坑 | 数值模拟 | 去离子水 Re=4×104 | 18 | [ |
蜣螂 | 圆形凹坑 直径0.4mm 深度0.2mm 间距5mm | 数值模拟 | 空气 u=6~15m·s-1 | 18.84 | [ |
黄缘真龙虱 | 圆形凸包 高度6mm 直径8mm 间距35mm | 数值模拟 | 水田泥浆 u=0.5~4m·s-1 | 9.33 | [ |
黄缘真龙虱 | 圆形凹坑、凸包 直径8~22mm 深度5~19mm | 实验 数值模拟 | 泥浆土壤 u=3m·s-1 | 12.7 | [ |
荷叶 | 超疏水表面 | 实验 | 甘油自来水溶液 Re=1177~2137 | 14 | [ |
荷叶 | 超疏水表面 | 实验 | 去离子水 Re=4.8×103~104 | 11 | [ |
荷叶 | 超疏水表面 | 实验 | 去离子水 Re=700~4700 | 38.6 | [ |
仿生对象 | 仿生结构及参数 | 水力直径Dh | 研究方法 | 工质、工况 | 最佳效果 | 参考文献 |
---|---|---|---|---|---|---|
鲨鱼皮 | 带劈缝球凸结构 球凸直径100μm 高度20μm 劈缝宽度3~15μm 相对位置0.14~0.33 | 80μm | 数值模拟 | 去离子水 Re=50~350 恒热流密度 q=5×105W·m-2 | 传热强化8.8% 阻耗减少3.7% | [ |
鱼鳞 | 环形鱼鳞结构 高度0.03~0.21mm 间距0.3~3mm | 600μm | 实验 数值模拟 | 去离子水 Re=1.3×103~4.6×103 q=5.3×105W·m-2 | 传热强化111.2% 阻耗减少14.3% | [ |
鱼鳞 | 扇形鱼鳞结构 倾斜高度290.3μm 垂直高度307.2μm 前端宽度205.7μm 水平间隔205.7μm 倾角高度0.5~5μm | 193.5~375μm | 实验 数值模拟 | 去离子水 Re=205~1050 q=5×105W·m-2 | 传热强化14% 阻耗减少5% | [ |
叶脉 | 分形结构 侧脉长度6.55mm 宽度0.4mm 高度1.5mm | 0.63mm | 实验 数值模拟 | HFE7200 工质体积流量 V=0.2~0.5L·min-1 Tin=313.15~3143.15K q=2.5×105~106W·m-2 | 传热强化19.5% 阻耗减少2.3% | [ |
叶脉 | 扩缩结构与分形结构耦合 0级通道长度10mm 宽度0.6mm 高度0.5mm 相邻通道长度比0.7 宽度差0.1mm 分形角度60° | 0.545mm | 数值模拟 | 去离子水 Re=250~1000 Tin=298.15K q=105W·m-2 | 传热强化17% 阻耗减少45% | [ |
叶脉 | 多层分形结构 0级通道长度8.01mm 宽度0.333mm 高度0.25mm 相邻通道长度比0.7071 水力直径比0.7937 分形角度32°~44° | 0.286mm | 实验 数值模拟 | 去离子水 V=200~600mL·min-1 Tin=293K q=4×105W·m-2 | 传热强化30% 阻耗减少60% | [ |
荷叶 | 亲水表面、疏水表面、超疏水表面组合壁面 壁面接触角40°、114.6°、142.7°、155.4° | 0.834mm | 实验 | 去离子水 u=0.043m·s-1 | 阻耗减少18.2% | [ |
荷叶 | 超亲水表面、普通亲水表面、超疏水表面 壁面接触角0°、67°、156° | 1.33mm | 实验 | R141b 工质质量流速G=165.17~550.34kg·m-2·s-1 q=11440~18150W·m-2 | 阻耗减少21.9% | [ |
荷叶 | 亲水表面、疏水表面、亲疏水匹配表面 壁面接触角22.6°、135° 椭圆亲水点长轴77μm 短轴44μm | 1.5mm | 实验 | 去离子水和水蒸气 干度0.3~1 G=10~60kg·m-2·s-1 | 传热强化454.6% | [ |
表3 不同微通道仿生结构的研究参数与优化效果
仿生对象 | 仿生结构及参数 | 水力直径Dh | 研究方法 | 工质、工况 | 最佳效果 | 参考文献 |
---|---|---|---|---|---|---|
鲨鱼皮 | 带劈缝球凸结构 球凸直径100μm 高度20μm 劈缝宽度3~15μm 相对位置0.14~0.33 | 80μm | 数值模拟 | 去离子水 Re=50~350 恒热流密度 q=5×105W·m-2 | 传热强化8.8% 阻耗减少3.7% | [ |
鱼鳞 | 环形鱼鳞结构 高度0.03~0.21mm 间距0.3~3mm | 600μm | 实验 数值模拟 | 去离子水 Re=1.3×103~4.6×103 q=5.3×105W·m-2 | 传热强化111.2% 阻耗减少14.3% | [ |
鱼鳞 | 扇形鱼鳞结构 倾斜高度290.3μm 垂直高度307.2μm 前端宽度205.7μm 水平间隔205.7μm 倾角高度0.5~5μm | 193.5~375μm | 实验 数值模拟 | 去离子水 Re=205~1050 q=5×105W·m-2 | 传热强化14% 阻耗减少5% | [ |
叶脉 | 分形结构 侧脉长度6.55mm 宽度0.4mm 高度1.5mm | 0.63mm | 实验 数值模拟 | HFE7200 工质体积流量 V=0.2~0.5L·min-1 Tin=313.15~3143.15K q=2.5×105~106W·m-2 | 传热强化19.5% 阻耗减少2.3% | [ |
叶脉 | 扩缩结构与分形结构耦合 0级通道长度10mm 宽度0.6mm 高度0.5mm 相邻通道长度比0.7 宽度差0.1mm 分形角度60° | 0.545mm | 数值模拟 | 去离子水 Re=250~1000 Tin=298.15K q=105W·m-2 | 传热强化17% 阻耗减少45% | [ |
叶脉 | 多层分形结构 0级通道长度8.01mm 宽度0.333mm 高度0.25mm 相邻通道长度比0.7071 水力直径比0.7937 分形角度32°~44° | 0.286mm | 实验 数值模拟 | 去离子水 V=200~600mL·min-1 Tin=293K q=4×105W·m-2 | 传热强化30% 阻耗减少60% | [ |
荷叶 | 亲水表面、疏水表面、超疏水表面组合壁面 壁面接触角40°、114.6°、142.7°、155.4° | 0.834mm | 实验 | 去离子水 u=0.043m·s-1 | 阻耗减少18.2% | [ |
荷叶 | 超亲水表面、普通亲水表面、超疏水表面 壁面接触角0°、67°、156° | 1.33mm | 实验 | R141b 工质质量流速G=165.17~550.34kg·m-2·s-1 q=11440~18150W·m-2 | 阻耗减少21.9% | [ |
荷叶 | 亲水表面、疏水表面、亲疏水匹配表面 壁面接触角22.6°、135° 椭圆亲水点长轴77μm 短轴44μm | 1.5mm | 实验 | 去离子水和水蒸气 干度0.3~1 G=10~60kg·m-2·s-1 | 传热强化454.6% | [ |
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