《Biomimetics》：Synergistic Effects of Biomimetic Structures on Heat Transfer Enhancement and Flow Resistance Reduction
Kaichen Wang,
Yan Shi,
Junjie Chen and
Yuchi Dai
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本综述聚焦仿生盾鳞-微槽结构在矩形通道中的传热与流动特性，其核心是通过仿生学设计，利用鲨鱼盾鳞的宏观形态和表面微肋特征，结合微槽的涡流发生器作用，协同调控流动分离与热边界层发展。研究表明，优化微槽深度（如0.6 mm，约占翅片高度的40%）是平衡传热强化与流动阻力、实现最佳综合性能评价标准（PEC）的关键，为高效紧凑换热器的仿生表面设计提供了新思路。
随着高功率能源系统和先进热管理技术的快速发展，紧凑换热器因其体积小、重量轻、传热效率高等优点，在航空航天、先进能源转换、氢能利用、电子设备冷却和汽车热管理等领域得到广泛应用。然而，在紧凑换热器的固有尺寸限制下，同时实现高热传递效率和低流动阻力是其设计与优化面临的关键挑战。受生物体优异结构启发的仿生学概念，为这一挑战提供了极具前景的解决方案。其中，具有卓越减阻和传热特性的鲨鱼皮肤，因其盾鳞（Placoid Scales）及其表面的微观沟槽结构而受到持续关注。
本研究提出了一种受鲨鱼盾鳞启发的仿生凸起结构，并将其集成到矩形通道中，以探索其对传热强化和流动减阻的协同效应。研究建立了三维数值模型，并在相同几何参数和边界条件下与实验数据进行了验证，在广泛的雷诺数范围内，出口温度和压降均显示出良好的一致性。研究系统地分析了沟槽深度对摩擦系数、科尔伯恩因子和综合性能评价标准（PEC）的影响，以阐明其潜在的流动和传热机制。
模型建立与验证
物理模型的建立基于一个矩形通道计算域。设计的仿生结构灵感来源于鲨鱼盾鳞的宏观形态及其表面微肋特征。其主要特征是在通道壁上的翅片状凸起，次要特征是在该凸起表面刻蚀的微沟槽。该复合结构旨在通过其流线型基底减轻大尺度流动分离，同时利用倾斜的微沟槽作为涡流发生器，主动诱导近壁区的有序二次流动结构和流向涡。通过这种协同机制，系统研究了其耦合增强传热和流动控制的潜力。为进行系统性对比，本研究选取了四种代表性的翅片几何构型：圆柱形翅片、六棱柱翅片、仿生盾鳞尺度翅片以及从盾鳞几何结构简化的斜坡结构，并确保所有构型在流动方向法向上的投影面积相同，以消除仅因正面面积差异引起的尺寸效应。研究中采用了稳态不可压纳维-斯托克斯方程作为控制方程。
沟槽深度对流动与传热的影响机制
研究结果表明，仿生沟槽的引入显著改变了流动结构和热边界层的发展，从而增强了流体混合和传热。然而，过大的沟槽深度会加剧流动分离和压力损失，导致性能恶化。研究发现，沟槽深度对流动分离和热边界层发展具有调节作用。存在一个最佳的沟槽深度（0.6 mm，约占总翅片高度的40%），能够实现传热增强和流动阻力之间的最佳平衡。这一发现为高效紧凑换热器的仿生表面设计提供了新的理论见解和几何指导。具体而言，优化的微槽结构能够有效产生二次涡流，破坏热边界层的稳定发展，增加近壁面区域的湍流混合，从而强化对流传热。同时，合理的沟槽几何形状能够引导主流，减少因流动分离而产生的压头损失，实现减阻效果。这种“强化”与“减阻”的协同，最终体现在综合性能评价标准（PEC）的提升上。
研究意义与展望
本工作通过数值模拟方法，系统研究了关键几何参数（特别是微槽深度）对通道内流动结构、涡旋演变、压阻特性和传热性能的影响。研究揭示了沟槽深度对流动分离和热边界层发展的调控作用，并确定了实现传热增强与流动阻力最佳平衡的最佳沟槽深度。这为面向高热效率、低流动阻力的下一代紧凑换热器的仿生表面设计提供了新的理论见解和明确的几何参数指导，在提升能源系统效率和电子设备热管理能力方面具有重要的工程应用潜力。
