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本研究通过实验、红外热成像和三维CFD模拟，评估了激光微结构镀锌板在伊朗寒冷高海拔地区的被动大气水收集性能。结果表明，微结构表面在61个凝结活跃夜晚中累计收集水量比普通镀锌板高59.3%，且表面温度更低，促进结霜形成和排水效率提升，验证了微结构设计在该环境下的有效性。
索莱曼·福鲁赞德（Soleiman Forouzandeh）| 穆罕默德·塔吉·加尼安（Mohammad Taghi Ghaneian）| 艾桑·阿布伊·梅里齐（Ehsan Abouee Mehrizi）| 霍赛因·法拉赫扎德（Hossein Fallahzadeh）| 阿里·阿斯加尔·埃布拉希米（Ali Asghar Ebrahimi）
伊朗亚兹德沙希德·萨杜希医科大学（Shahid Sadoughi University of Medical Sciences）公共卫生学院环境健康工程系环境科学与技术研究中心
摘要
通过露水和霜冻凝结进行被动式大气水分收集是寒冷高海拔地区一种有前景的淡水补充来源。在这些环境中，霜冻的形成通常被视为限制性能的现象，而非可回收的水资源，其实际作用机制仍不甚明了。本研究采用实验、热分析和数值模拟相结合的方法，研究了激光微结构镀锌钢板（1平方米）在野外条件下的性能。在2022-2023年的天文冬季期间，共记录了61个有凝结现象的夜晚，其中包含59次霜冻事件和2次露水事件。微结构表面（MS）在每晚的表现都优于普通镀锌表面（PS），累计收集的水量高出59.3%。红外热成像显示，在辐射冷却条件下，微结构表面的夜间温度始终较低（低0.5-1.1摄氏度），而三维计算流体动力学（CFD）模拟则用于定性分析近地表气流模式以及凝结和霜冻通量的空间分布。这些结果表明，表面微结构化可以增强霜冻的收集效果及后续融水的回收，从而证明微槽镀锌钢是一种适用于寒冷山区被动式大气水分收集的实用材料。
引言
由于人口增长和气候变化，全球淡水资源日益紧张（Miletto等人，2021年；Masson-Delmotte等人，2021年）。然而，在寒冷的高海拔地区，霜冻是夜间凝结的主要形式，但作为可回收水资源的潜力尚未得到充分探索。大气水分收集（AWH）提供了一种有前景的方法，但大多数以往的研究集中在温和气候条件或小型实验室规模的冷凝器上，对于霜冻主导条件下的实际性能仍存在很大不确定性（Wang等人，2025a；Beysens，2022年；Trosseille等人，2022年；Sharan等人，2007年；Beysens和Muselli，2024年）。
表面工程，特别是微槽处理，已被证明可以改善中等气候条件下的液滴聚结、排水效率和辐射冷却效果，但在寒冷易结霜条件下的有效性仍不明确（Zhou等人，2020年；Yang等人，2023年）。微结构或纹理化的金属表面，包括凹槽、疏水性和混合润湿性设计，可以调节微观热交换，改变局部边界层结构，并创造有利于凝结水早期排出的路径（Zhou等人，2020年；Yang等人，2023年；Bintein等人，2019年；Lavielle等人，2023年；Wang等人，2023年；Wijerathne等人，2025年；Royon等人，2016年；Pou-álvarez等人，2025a；Li等人，2023年；Song和Bhushan，2019年；Lu等人，2022a；Feng等人，2022年；Lee等人，2025年；Koyun等人，2025年；Ma等人，2025年）。类似的几何驱动设计和优化策略已在其他工程领域得到广泛应用，例如质子交换膜燃料电池的流道设计和热管理系统，其中流道形状对传输效率有显著影响（Shen和Tu，2022年；Hao等人，2023年；Li等人，2020年）。
近年来，几何驱动优化在能源和热系统中得到了越来越多的研究，采用数值模拟、数据驱动和多目标设计框架。例如，Qi等人通过CFD辅助和机器学习优化，证明了流道的几何修改可以显著调节质子交换膜燃料电池的传输效率、热行为和系统级性能（Qi等人，2026年）。同一研究小组的相关工作还表明，定制的几何结构在提高先进能量转换系统的热传递均匀性和热管理效率方面起着关键作用（Qi等人，2025年）。这些研究强调了几何控制传输现象在不同工程领域的普遍适用性，并为将此类几何驱动概念扩展到大气水分收集表面提供了依据，尤其是在对温度敏感的霜冻主导条件下。
尽管取得了这些进展，但在寒冷高海拔应用中仍存在两个关键问题：（Miletto等人，2021年）微槽金属表面在霜冻主导条件下的性能尚未得到充分研究；（Masson-Delmotte等人，2021年）大多数以往的研究都是在实验室规模或小样本（≤0.02平方米）上进行的，因此实际条件下的边界层形成、辐射冷却效率和排水动力学仍存在不确定性（Ma等人，2024年；Deng等人，2024年；De Melo-Abreu等人，2024年；Beysens等人，2025年；Boreyko和Chen，2009年；Enright等人，2014年；Chen等人，2016年）。在工程流道系统（包括燃料电池流场和紧凑型冷却架构）中，已经广泛报道了类似的尺度依赖性流动和边界层效应，但实验室规模的行为并不能直接外推到实际规模（Carcadea等人，2021年；Wang等人，2025b）。
为了解决这些问题，本研究对寒冷高海拔环境中微槽镀锌钢板和普通镀锌钢板上的露水和霜冻凝结现象进行了综合的实验和数值分析。通过在全尺寸（1.0平方米）面板上进行现场测量，并结合红外热成像和三维计算流体动力学（CFD）建模，提供了关于辐射冷却、霜冻演变、融水排水和整体水分收集性能的多尺度视角。本研究的具体目标是：
(Miletto等人，2021年) 在长时间的户外实验中，量化并比较微槽镀锌表面和普通镀锌表面之间的总凝结量（露水、霜冻和融水）。（Masson-Delmotte等人，2021年) 研究影响性能差异的热学、辐射和流体动力学因素；以及（Wang等人，2025a) 提供经过实验验证的热学和流场数据，以指导寒冷地区AWH应用中高效冷凝器的设计。
实验地点和大气条件
该实验于2022年12月22日至2023年3月20日的天文冬季期间在伊朗沙赫雷基安（Shahrekian）附近进行（海拔2052米；纬度32°16′53.83″ N，经度50°53′24.88″ E）。该地区夜间天空晴朗，云层覆盖少，冬季温度经常低于冰点，为露水和霜冻的形成创造了有利条件。每隔10分钟进行一次连续的气象监测，记录空气温度。
普通表面和微结构表面的季节性凝结性能
图3显示了在一个有凝结现象的夜晚，微槽表面（MS）和普通镀锌表面（PS）的表面温度对比。微槽表面在整个辐射冷却期间始终保持较低的温度，表明微尺度几何结构增强了长波辐射冷却效果。这种较低的基线温度有助于更早的凝结开始和持续的过饱和状态。
现场性能和气候敏感性
冬季现场实验表明，激光微结构镀锌表面（MS）在形成露水和霜冻的条件下均优于普通镀锌表面（PS）。在所有61个有凝结现象的夜晚中，微槽表面的产水量均高于普通表面，增幅从弱辐射条件下的18-35%到强辐射条件下的超过50%不等。这种持续的性能差异表明……
结论
本研究全面评估了激光微结构镀锌钢板作为寒冷高海拔地区被动式大气水分收集高效冷凝器的性能。在整个冬季61个有凝结现象的夜晚中，微结构表面（MS）的累计集水量始终高于普通表面（PS），高出59.3%。微槽表面具有更低的夜间温度、更早的凝结起始时间……
作者贡献声明
索莱曼·福鲁赞德（Soleiman Forouzandeh）：撰写初稿、方法论制定、数据整理、概念构思。穆罕默德·塔吉·加尼安（Mohammad Taghi Ghaneian）：验证、监督、资源协调、项目管理。艾桑·阿布伊·梅里齐（Ehsan Abouee Mehrizi）：撰写、审稿与编辑、可视化处理、数据分析。霍赛因·法拉赫扎德（Hossein Fallahzadeh）：撰写、审稿与编辑、数据分析。阿里·阿斯加尔·埃布拉希米（Ali Asghar Ebrahimi）：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项目得到了伊朗亚兹德沙希德·萨杜希医科大学健康学院的支持。
