美国科学家研发模拟人体散热的热管理系统
编辑：admin 日期：2019-11-27 11:04:13 / 人气：
德雷塞尔大学工程学院博士兼助理教授Ahmad Najafi与合作者北卡罗来纳州立大学博士Jason Patrick概述了他们研发的计算技术如何加速设计3D打印碳纤维复合材料，而此种复合材料具备一个内部血管系统，可实现主动冷却功能。
Najafi表示：“当你觉得热的时候，身体会向循环系统发送一个信号，向皮肤表面输送更多的血液，这就是我们有时我们脸会红的原因。这是一种自然散热的方法，效果非常好。因此，多年来，科学家和工程师们都在试图在机械冷却系统中复制此种方法，如防止汽车和计算机过热的机械冷却系统。”
Najafi和Patrick的最新论文中描述了一个集成平台，以设计和创建仿生微血管复合材料。
研究出来的计算机程序在几分钟的时间内就创造了HyTopS，是hybrid topology/shape optimization（混合拓补/形状优化）的简称，可以产生一个简要的血管网络，且具备理想的形状、大小以及微血管分布，可通过液体循环将材料冷却。
从电动汽车到新一代的飞机，随着性能不断在提高，产生的热量也更多了，因此目前都在研发微血管纤维复合材料，以冷却所有部件。
Patrick表示：“此类现代化材料可以彻底变革一切，从超音速太空飞行器到电动汽车中的电池组甚至是超级计算机冷却系统。随着速度的加快，输出的能量和计算功耗也在增加，大量热量的产生就需要新型冷却方法。受生物体循环系统的启发，内部微血管系统提供了一种有效的方法，可以调节合成材料的热量。”
据Najafi 和Patrick所说，该领域的仿生研究只持续了10年左右，但是产生的结果非常具有前景。Najafi 和 Patrick是在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）开始研发微血管材料，以实现自愈、主动冷却等功能。
他们最近的研究重点之一是让此种材料取代通过水或空气传递热量的传统金属系统。虽然传统金属系统是一种可靠的解决方案，但是拥有窗式空调装置的人会知道，不同的冷却系统能够给车辆和试图减轻重量的部件带来很大的改善。
Najafi表示：“与现有的液冷和气冷系统相比，微血管复合材料具有很多优点。首先，比现有的液冷或气冷系统轻得多，但是强度相当，也非常耐用（考虑到金属部件会受到腐蚀的影响），如果把此类因素考虑在内，就会很容易明白为什么航空航天、汽车和能源行业在寻求此类冷却系统。”
为了测试此种优化方法，研究人员采用3D打印技术设计并构建了一个微血管碳纤维复合材料，并根据之前的研究参考设计测试了其冷却能力。在将碳复合材料加热至最高温度后，类似于汽车中的液体冷却剂被输入到每一个血管网络中，以开始冷却。
经HyTopS优化后的碳复合材料不仅温度更低，而且表面温度分布更均匀，比参考设计的冷却速度更快。
除了让经优化后的材料的性能更优越之外，HyTopS方法的优势还在于，其可以自动计算出血管通道的直径和排列方式，以及它们之间的连接方式，还考虑到被冷却系统的材料组成和整体的几何结构以及相应的传热特性。此外，该方法还考虑了与制造过程相关的参数，最终设计出一个现实的微血管材料，可以通过3D打印或者其他制造方法制成。
Najafi表示：“要全部重现自然的微血管系统几乎是不可能的，但是我们的程序考虑到了大量的优化需求以及制造参数，可以确保真正实现设计。”
该联合团队打算采用HyTopS方法探索微血管复合材料其他有趣的方面，以及在结构力学和电磁学等跨学科方面的应用。
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