模仿人体的循环系统,以更有效地冷却汽车,飞机和计算机

时间:2019-11-03 14:01 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

  

模仿人体的循环系统,以更有效地冷却汽车,飞机和计算机

 

  Drexel大学研究人员计划设计具有人类微血管结构的材料。

  复杂的静脉网络在夏季炎热的天气中使我们保持凉爽,这激发了工程师创建新颖的热管理系统的灵感。但是复制循环系统的形式或功能并不是一件容易的事。最近,德雷克塞尔大学和北卡罗来纳州立大学的研究人员团队创建了一个计算平台,这可能是模仿人体进化优化的冷却系统的关键。微脉管系统

  在《国际热与质量传递国际杂志》上发表的一项研究中,德雷克塞尔工程学院的教授艾哈迈德·纳贾菲(Ahmad Najafi)博士及其北卡罗来纳州立大学的教师合作者杰森·帕特里克(Jason Patrick)博士报告了他们如何使用计算技术开发人员可以快速生成用于3D打印碳纤维复合材料的设计,并具有针对主动冷却进行了优化的内部脉管系统。

  纳贾菲说:“当你变热时,身体会向循环系统发送信号,将更多的血液泵送到皮肤表面。这就是为什么我们有时脸部发红的原因。” “这是一种非常有效的自然散热方法,科学家和工程师多年来一直在尝试在机械冷却系统中进行复制,例如防止汽车和计算机过热的机械冷却系统。”

  纳雅菲和帕特里克(Patrick)的最新论文描述了一个集成平台,该平台可以设计并创建具有生物启发性的微血管复合材料,从而做到这一点。

  

模仿人体的循环系统,以更有效地冷却汽车,飞机和计算机

 

  德雷克塞尔大学(Drexel University)的研究人员创建了一个程序,用于优化材料的微血管结构,该材料可用于冷却热运行的技术(例如计算机和汽车)。

  在几分钟之内,他们的计算机程序,即铸造的HyTopS,是混合拓扑/形状优化的缩写,可以为血管网络绘制示意图,该血管网络具有理想的形状,大小和分布的微血管,可以通过液体循环主动冷却材料。这一技巧使大自然母亲不止几个进化周期得以完善。

  目前正在开发微血管纤维复合材料,以冷却从电动汽车到下一代飞机的各种物品,其中越来越高的性能提高了它们产生的热量。

  这些现代材料可以彻底改变从超音速航天器到电动汽车电池包装乃至超级计算机冷却系统的一切。随着事情的发展,能量输出和计算能力不断提高,会产生大量的热量,需要采用新的冷却方法,” Patrick对杏鑫平台说。“受活生物体循环系统的启发,内部微脉管系统为合成材料的热调节提供了有效的手段。”

  Najafi / Patrick在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校开始其学术生涯,他的研究生涯来自于以生物启发为基础的研究这一分支,至今已有大约十年左右的时间,但其产生的结果已经非常有希望。自愈,主动冷却等。

  

模仿人体的循环系统,以更有效地冷却汽车,飞机和计算机

 

  使用他们的混合拓扑/形状优化程序HyTopS,德雷克塞尔大学的研究人员可以设计冷却材料,这些材料从人体的循环系统中汲取灵感,并针对任何表面或功能进行了优化。(图为研究人员Ahmad Najafi博士;德雷塞尔大学的Reza Pejman。)学分:德雷塞尔大学

  他们最近的研究重点之一是取代更传统的通过水或空气传递热量的金属系统。尽管这是一个可靠的解决方案,但任何装有空调窗户单元的人都一定会明白,对于试图减轻重量的任何车辆或零部件,为什么使用不同的冷却系统会有所改善。

  “与现有的液体和空气冷却系统相比,微血管复合材料具有许多优势,首先,它们的重量轻得多,并且具有相当的强度,但它们也非常耐用-如果考虑到腐蚀对金属部件的广泛影响,这一点很重要,” Najafi sad 。“而且,如果您考虑这些因素以及其他因素,就很容易看出为什么在航空航天,汽车和能源领域寻求它们。”

  为了测试他们的优化方法,研究人员使用3D打印设计并构建了微血管碳纤维复合材料,并根据先前研究的参考设计测试了其冷却能力。将碳复合材料加热到最高温度后,将液体冷却剂(类似于您的汽车中的冷却剂)泵送通过每个血管网络以开始冷却过程。

  经HyTopS优化的碳复合材料不仅更凉爽,而且在表面温度分布方面更加均匀,并且能够比参考设计更快地冷却。

  除了优化材料的卓越性能外,HyTopS方法的优势还在于它可以自动计算出通道直径和布置变化以及通道之间如何连接的影响。它考虑了被冷却系统的材料组成和总体几何形状以及相应的传热特性。并且它会考虑与制造过程相关的参数,因此最终设计是一种可以通过3D打印或其他可访问的制造方法制造的逼真的微血管材料。

  纳贾菲说:“几乎不可能重现天然微血管的全部复杂性,但是我们的程序可以提供大量优化输入,并考虑制造参数以确保可以真正构建设计。”

  合作团队打算使用HyTopS方法探索微血管复合材料的其他有趣和跨学科的方面,包括结构力学和电磁学。

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