模擬葉片蒸騰作用熱效應的仿生葉片

1、科技論文翻譯，原文來自中國知網(wǎng):Bionic Leaf Simulating the Thermal Effect of Natural Leaf TranspirationZhi Yuan, Hong Ye, Shimin Li模擬葉片蒸騰作用熱效應的仿生葉片摘要我們提出了一種模擬真實葉片蒸騰作用熱效應的仿生葉片。首先把這種仿生葉片 設計為由綠色表皮、保水層、復合吸附層和吸收-解吸速率控制層組成的。建立 一個熱力學模型，基于該模型的仿真結(jié)果表明保水層不是必要的。高熱傳導性的 復合吸附劑應該被選為復合吸附層；由于復合吸收-解吸速率控制層的速率低， 所以吸附-解析速率控制層應該被去除；當CS的二

2、氯化鈣質(zhì)量達到40%，仿生葉 片可以模擬植物葉片的動態(tài)熱效應?；诜抡娼Y(jié)果，我們制備了具有不同氯化鈣 含量的仿生葉片。利用紅外成像儀捕捉仿生葉片和自然葉片的溫度數(shù)值。測量得 到兩種葉片的平均輻射溫度差小于1C。關鍵字：仿生葉片，復合吸附材料，蒸騰作用，熱效應，葉溫1介紹人類的許多發(fā)明和創(chuàng)造都是受到對自然葉片的結(jié)構(gòu)、組成和特殊性質(zhì)理解而 得到的啟發(fā)。因為水在一些葉片表面的接觸角受到表面微細結(jié)構(gòu)的影響，比如水 稻的葉子和蓮葉都具有超疏水的特性?；谏锏某杷?，大量的超疏水材 料被設計出來。植物葉片的微細結(jié)構(gòu)也具有自清潔的功能?；谶@種具有自清潔 功能的仿生葉片有很大的應用范圍。植物葉片的水和

3、色素對葉片的光合作用特性 有很大影響。根據(jù)植物葉片的組成，Yang et a/.設計了一種仿生葉片，該葉片具 有和自然葉片相同的光合作用特性。而且，植物葉片的非光滑特性已經(jīng)得到許多 研究人員的注意。當前關于仿生葉片的研究很少涉及植物葉片生理活動的模擬。蒸騰作用是植 物葉片基本的生理活動。早在上世紀60年代，David發(fā)現(xiàn)蒸騰作用對于葉片的溫 度具有很大的影響。由于蒸騰作用，大果棟的葉溫會比日照條件下的大氣溫度低。 Marcel et a/.報道了相似的現(xiàn)象，玫瑰花的蒸騰作用使得玫瑰花的葉溫降低，并 且使得玫瑰花所處的溫室溫度比強日照條件下的大氣溫度低。在我們先前的研究 中，我們深入研究了蒸騰作

4、用的冷卻效應。蒸騰作用的潛熱消耗了葉片所吸收的 太陽能總量的32.9%，并且使葉溫降低了 8.2C。為了模擬植物葉片的熱紅外特 性，葉片的蒸騰作用必須被考慮在其中?；谡翗淙~的熱量和質(zhì)量轉(zhuǎn)換分析，我 們提出了一種多層結(jié)構(gòu)的仿生葉片，這種葉片可以被用于模擬植物蒸騰作用。仿 生葉片被設計成由綠色表皮、保水層和復合吸收層組成的。CS層是仿生葉片的 關鍵組成材料。在夜晚，當大氣相對濕度較高的時候，CS層可以吸收水蒸氣； 在白天，當大氣濕度較低的時候，CS層可以析出吸收水蒸氣。在這次研究中，我們建立了仿生葉片的熱力學模型，并且測量了 CS層對水 蒸氣的吸收性能。然后分析了仿生葉片的計算設計?；谠O計結(jié)果

5、，一種仿生葉 片的基本樣品被提出。測量它的動態(tài)熱紅外特性與自然葉片做比較。2仿生葉片的結(jié)構(gòu)和熱力學模型考慮到植物葉片的氣孔可以調(diào)節(jié)葉片蒸騰作用速率，我們改進了前面提到的 仿生葉片的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在復合吸收層下方增加吸收-解吸速率控制層來 調(diào)節(jié)吸收速率。多微孔薄膜結(jié)構(gòu)可以被用作吸收速率控制層，水蒸氣可以通過多 微孔薄膜的微孔，但是液體水不能通過。圖1表達了仿生葉片與環(huán)境之間的熱交 換過程。其中Qrad和Qrad分表表示仿生葉片上下表面分別與空氣和地面之間 的輻射傳熱熱量；Q 和Q 分表表示仿生葉片上下表面與空氣和地面空氣 之間的對流傳熱傳熱熱量；。表示吸收和解吸過程中的潛熱，如果當前的吸收

6、量大于平衡時的吸附收則發(fā)生解吸，否則發(fā)生吸收過程。Qsoalr表示光照強度。竦色外慶圖1仿生葉片的結(jié)構(gòu)和與環(huán)境之間的傳熱為了簡化仿生葉片的熱力學模型，忽略仿生葉片的綠色表皮和吸收-解吸速 率控制層的厚度。認為仿生葉片上表面對太陽能的吸收率和輻射率和綠色表皮上 的相等。吸附-解吸速率控制層的水蒸氣擴散阻力被考慮到吸附-解吸模型中。因 此，我們僅僅需要建立保水層和CS層的熱力學方程就可以了。保水層的熱力學 方程如下：water water 如 water其中，Pwater，弟血廣如血了分表表示水的密度、熱容和熱導率。保水層上表面的熱通量按如下式計算：qn = a G , -a a(T4-T4 -h

7、 (T-T )(2)1 s solar ssky 1方程2右邊第一項表示仿生葉片上表面吸收的太陽輻射能，其中表示綠色 表皮層對太陽能吸收率，第二項和第三項表示仿生葉片與環(huán)境的輻射傳熱和對流 傳熱，其中表示綠色表皮層的輻射率，外表示仿生葉片上表面與環(huán)境的對流傳 熱系數(shù)，Tm和7；切分別表示空氣溫度和大氣溫度。CS層的熱力學方程如下3式：p c + c x 竺=k2 + AHp 絲(3)在方程右邊，第一項表示熱傳導的凈能量，其中p、c和k分別表示CS層的 密度、熱容和熱傳導系數(shù)；第二項表示吸收和解吸過程中的潛熱，其中表示 水從液態(tài)到氣態(tài)的潛熱，x表示CS層的吸收量，dx/dt表示CS層的吸收-解吸

8、速 率。在CS層下表面的熱通量可以表示為如下4式：q2 = 2。偵4 - Tground - ）在方程4中，右邊第一項表示仿生葉片下表面與地面之間的熱輻射，其中勺 表示葉底的輻射率，Tground表示地面溫度；第二項表示葉底與空氣之間的熱對流， 其中勺表示對流傳熱系數(shù)。接下來我們將確定吸收-解析速率。水蒸氣連續(xù)地通過邊界層和疏水微多空 薄膜擴散開來，然后被CS層吸收。因此dx/dt可以定義為如下形式：dX =吼7（5）dt ；+p耶（ya-yb）A分母的第一項表示CS層的水蒸氣擴散阻力，其中K表示吸附顆粒的傳質(zhì)系 數(shù)；分母的第二項表示邊界層和疏水微多空薄膜的水蒸氣擴散阻力，其中p和分 別表示C

9、S層的密度和厚度，#表示亨利系數(shù)，七和分別表示邊界層和疏水微多 空薄膜的傳質(zhì)阻力。3關鍵材料的準備和屬性CS層、綠色外皮和微孔疏水薄膜是仿生葉片的關鍵材料。需要為仿生葉片 準備兩種CS，它們是活性碳纖維（ACFC）與CaCl2CS和擴展性石墨（EG）與CaCl2 CS。ACFC和EG kp80是從江蘇購買，ACFC CS層（紙杯過程如下）如下。ACFC在 350C下烘干3小時。把烘干的ACFC浸沒在飽和的氯化鈣水溶液中，24小時之 后從氯化鈣溶液中取出，然后在350C環(huán)境中烘干3小時。EG CS層如下。把EG 放在600C環(huán)境下烘烤10分鐘。然后將EG放在20%的氯化鈣水溶液中，然后 將它們放

10、在100C的烤箱中直到水蒸發(fā)完。最后，在壓力為12Mpa，時間3-5分 鐘條件下，把復合粉末壓入模型中。EG CS的氯化鈣含量可以通過調(diào)節(jié)氯化鈣溶 液的質(zhì)量分數(shù)來控制。然而，ACFC CS的最大氯化鈣含量是65%。CS層的水蒸氣吸收行為是借助ASAP 2020M來測量的。具有最大氯化鈣含 量的ACFC CS、氯化鈣和含有33.3%氯化鈣的EG CS對水蒸氣得等溫吸收過程的 測量是在303壓力下進行的。CSs對水蒸氣的吸收質(zhì)量和相同質(zhì)量分數(shù)的氯化鈣 溶液對水蒸氣的吸收質(zhì)量的比較如下圖2所示。圖2 ACFC、EG和等價氯化鈣對水蒸氣的等溫吸收過程(6)（我們）發(fā)現(xiàn)CSs對水蒸氣的吸收質(zhì)量和相同（等

11、價）氯化鈣含量水溶液對 水蒸氣的吸收質(zhì)量相等。因此，CSs對水蒸氣的吸收質(zhì)量可按如下式子計算：% = XCaCl 2其中Xcs表示CS層的水蒸氣吸收質(zhì)量，w表示CS層中的氯化鈣的質(zhì)量分數(shù)， ，”/2表示氯化鈣的水蒸氣吸收質(zhì)量。依據(jù)氯化鈣的等溫過程，氯化鈣的吸收質(zhì) 量可按下式計算：也玨=-29.776 + 5308-211902-(0 P 0.025) (0.025 P 0.1) (0.1 0.3) (0.3 0.4) fO.4 P 0.42）其中，P表示水蒸氣相對壓力，CS的吸收-解吸速率對仿生葉片而言是很重 要的。在給定的ACFC和EG的傳質(zhì)系數(shù)分別是2.7 X 10-2s-1和2.0 X

12、10-5s-i條 件下，ASAP2020M可以被用作測量動態(tài)吸收量。ACFC和EG的熱傳導過程利用 激光熱導儀測量，它們分別是0.063wm-ik-i和5.13wm-ik-i。綠色表皮是由聚 氨酯清漆、氧化銘和鋁粉組成。聚氨酯清漆、氧化銘和鋁粉以40: 19: 1的比例混 合在一起，太陽吸收率和反射率分別是0.6和0.8。水蒸氣的傳遞阻力可以通過 Perme W3/060水蒸氣傳輸速度測試系統(tǒng)測定。測量結(jié)果分別是 733.39m/s、 1582.28m/s、1596.89m/s 和 1879.39m/s。4仿生葉片設計計算我們關心的是仿生葉片的上表面溫度，我們的目的是控制仿生葉片上表面的 平均

13、溫度，接下來我們將用仿生葉片的熱力學模型。依據(jù)測量結(jié)果，綠色表皮對 太陽能的反射率和吸收率設為0.6和0.8。水蒸氣的傳輸阻力設為1447.99s/m。 這是四個微多空薄膜的平均值。7月20日的氣象參數(shù)的典型氣象年在南京。首 先我們分析了影響仿生葉片溫度的保水層厚度。這里考慮的是發(fā)生在白天的蒸騰 作用，所以我們只關注白天的結(jié)果。圖3展示的是不同保水層厚度的仿生葉片 上下表面的溫度和自然葉片的溫度，實驗時間是上午10點到下午4點。自然葉 片的計算溫度已在前文的研究中提出。仿生葉片的上表面溫度比自然葉片高。所 以我們降低了仿生葉片的上表面溫度。上表面溫度比下表面溫度高。隨著仿生葉 片的保水層的厚度

14、增加，其上表面溫度也在上升，并且上表面溫度的增加不同于 仿生葉片和自然葉片溫度地增加。所以我們應該去除保水層。ACFC CS有一個大的吸收-解吸速率。微孔疏水薄膜可以調(diào)節(jié)吸附-解析速率。 ACFC CS的帶有吸附-解吸速率控制層和無吸附-解吸速率控制層的吸收熱計算結(jié) 果如下圖4所示。正值表示仿生葉片吸收的熱量，負值表示仿生葉片釋放的熱量。 我們發(fā)現(xiàn)沒有微孔疏水膜的仿生葉片在白天吸收的熱量較多，這將引起仿生葉片 溫度的增加。帶有微孔薄膜結(jié)構(gòu)的仿生葉片在白天吸收的熱量是負值。所以微孔 疏水薄膜是ACFC CS仿生葉片的關鍵。VlUlHil 1廚面r hdldih 屆出IC II 12 13 14

15、15 吊時間購山）下雖圖3不同保水層的厚度的仿生葉片的溫度和自然葉片的溫度圖4有無微孔疏水薄膜的ACFC CS仿生葉片吸收的熱量上表面溫度比下表面溫度高?？赡艿脑蚴茿CFC CS有一個較低的熱導率。 仿生葉片的上表面吸收的太陽能輻射沒有完全傳遞到下表面。分析仿生葉片上表 面熱傳導過程的影響因素，理想ACFC CS和EG CS的熱傳導過程相同，依據(jù)總熱 容原理，仿生葉片上下表面的溫度應該相等。圖5展示了理想的仿生ACFC CS葉 片、實際仿生ACFC CS葉片和自然葉片的上表面溫度。我們可以發(fā)現(xiàn)CS的熱導 率對仿生葉片上表面溫度有重要影響。高熱導率仿生葉片上表面溫度與自然葉片 溫度的差小于低熱

16、導率仿生葉片上表面溫度和自然葉片的上表面溫度的差。高熱 導率的仿生葉片上表面最大溫度和自然葉片上表面的最大溫度相差2.4C，低熱 導率的仿生葉片上表面最大溫度和自然葉片上表面的最大溫度相差4.7C。所以 我們應該選擇高熱導率的EG CS層作為CS層。52-.自然葉片02468 10 12 14 16 18 20 22 24時間 由）圖5理想ACFC CS、實際。$和自然葉片的上表面溫度EG CS的氯化鈣含量影響仿生葉片對水的吸收，仿生葉片的水吸收影響仿生葉片的溫度。不同氯化鈣含量的仿生葉片的溫度計算結(jié)果如下圖6所示。EG CS 有一個較低吸收-解吸速率，所以我們假設移除吸收-解吸速率控制層，把

17、仿生葉 片的溫度和自然葉片的溫度做一個比較，對仿生葉片溫度影響最大的氯化鈣含量 是13pm，隨著氯化鈣含量從10%到20%的增加，仿生葉片的溫度增加了 0.7C, 隨著氯化鈣的含量從20%到40%的增加，仿生葉片的溫度增加了 0.6C，繼續(xù)增 加氯化鈣含量，仿生葉片溫度增加放緩。表1顯示了仿生葉片和自然葉片之間的 差異。我們可以發(fā)現(xiàn)，當氯化鈣含量達到40%后，仿生葉片的平均溫度與自然葉 片的平均溫度相差不到2C。時間3)彷生葉片GCI2含量4 瞰白然葉片_ I I I I I I I _ ICaCb ccMitent (%)102030405060圖6不同氯化鈣含量的仿生葉片的溫度和自然葉片的

18、溫度 表1仿生葉片和自然葉片的溫度卷K筍技置小技技技kfaximiim teuipeiahue . rf 4.54.13.3 43 12.7difiereiice ( C)5仿生葉片的現(xiàn)場測試設計計算表明EG CS仿生葉片能夠很好的模擬植物葉片的熱力學特性。為了 驗證仿生葉片的效果。2013年4月25日進行現(xiàn)場試驗?？紤]到氯化鈣由于吸水 潮解，添加熱塑性聚氧化乙烯(PEO)到仿生葉片中以其改善其力學性能。仿生葉準 備如下:將EG中混合氯化鈣和PEO飽和水溶液的樣品放在80C微波爐中烘干。 干燥的復合粉末插入樹葉形狀的模具中，用12Mpa的壓力壓縮下大約3分鐘-5 分鐘。然后將復合塊加熱到90C保溫3分鐘。最后，綠色涂料噴涂在復合塊表面。 三種仿生葉子的PEO、EG和氯化鈣質(zhì)量分別是1:4:5,2:4:4和3:4:3。這里選擇桂花作為對比植物。去掉桂花葉以仿生葉代替，如圖7所示。使用 由廣州坐紅外技術有限公司生產(chǎn)的紅外熱像儀記錄HY6860記錄植物每小時的溫度。每兩小時測量和記錄仿生葉片的質(zhì)量。圖8表達了仿生葉片的溫度記錄和 植物葉片的溫度記錄。表2表達了仿生葉片和植物葉片之間不同的輻射溫度。 我們可以發(fā)現(xiàn)仿生葉片可以很好的模擬自然葉片