模擬葉片蒸騰作用熱效應(yīng)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(yīng)的仿生葉片摘要我們提出了一種模擬真實(shí)葉片蒸騰作用熱效應(yīng)的仿生葉片。首先把這種仿生葉片 設(shè)計(jì)為由綠色表皮、保水層、復(fù)合吸附層和吸收-解吸速率控制層組成的。建立 一個(gè)熱力學(xué)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(dǎo)性的 復(fù)合吸附劑應(yīng)該被選為復(fù)合吸附層；由于復(fù)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(yīng)該被去除；當(dāng)CS的二

2、氯化鈣質(zhì)量達(dá)到40%，仿生葉 片可以模擬植物葉片的動(dòng)態(tài)熱效應(yīng)?；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(guān)鍵字：仿生葉片，復(fù)合吸附材料，蒸騰作用，熱效應(yīng)，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?yàn)樗谝恍┤~片表面的接觸角受到表面微細(xì)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恚罅康某杷?料被設(shè)計(jì)出來。植物葉片的微細(xì)結(jié)構(gòu)也具有自清潔的功能。基于這種具有自清潔 功能的仿生葉片有很大的應(yīng)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(shè)計(jì)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(dāng)前關(guān)于仿生葉片的研究很少涉及植物葉片生理活動(dòng)的模擬。蒸騰作用是植 物葉片基本的生理活動(dòng)。早在上世紀(jì)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(huì)比日照條件下的大氣溫度低。 Marcel et a/.報(bào)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(qiáng)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(yīng)。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(shè)計(jì)成由綠色表皮、保水層和復(fù)合吸收層組成的。CS層是仿生葉片的 關(guān)鍵組成材料。在夜晚，當(dāng)大氣相對濕度較高的時(shí)候，CS層可以吸收水蒸氣； 在白天，當(dāng)大氣濕度較低的時(shí)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(xué)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(jì)算設(shè)計(jì)?；谠O(shè)計(jì)結(jié)果

5、，一種仿生葉 片的基本樣品被提出。測量它的動(dòng)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(xué)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(jìn)了前面提到的 仿生葉片的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在復(fù)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(dá)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(dāng)前的吸收

6、量大于平衡時(shí)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(qiáng)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(xué)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(rèn)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(kuò)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(xué)方程就可以了。保水層的熱力學(xué) 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(dǎo)率。保水層上表面的熱通量按如下式計(jì)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(xiàng)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(xiàng)和第三項(xiàng)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(xué)方程如下3式：p c + c x 竺=k2 + AHp 絲(3)在方程右邊，第一項(xiàng)表示熱傳導(dǎo)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(dǎo)系數(shù)；第二項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(kuò)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(xiàng)表示CS層的水蒸氣擴(kuò)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(xiàng)表示邊界層和疏水微多空薄膜的水蒸氣擴(kuò)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(guān)鍵材料的準(zhǔn)備和屬性CS層、綠色外皮和微孔疏水薄膜是仿生葉片的關(guān)鍵材料。需要為仿生葉片 準(zhǔn)備兩種CS，它們是活性碳纖維（ACFC）與CaCl2CS和擴(kuò)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(shí)。把烘干的ACFC浸沒在飽和的氯化鈣水溶液中，24小時(shí)之 后從氯化鈣溶液中取出，然后在350C環(huán)境中烘干3小時(shí)。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(shí)間3-5分 鐘條件下，把復(fù)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?jǐn)?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(jìn)行的。CSs對水蒸氣的吸收質(zhì)量和相同質(zhì)量分?jǐn)?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(jià)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(jià)）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(jì)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?jǐn)?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(jì)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(dòng)態(tài)吸收量。ACFC和EG的熱傳導(dǎo)過程利用 激光熱導(dǎo)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(shè)計(jì)計(jì)算我們關(guān)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(xué)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(shè)為0.6和0.8。水蒸氣的傳輸阻力設(shè)為1447.99s/m。 這是四個(gè)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(guān)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(shí)驗(yàn)時(shí)間是上午10點(diǎn)到下午4點(diǎn)。自然葉 片的計(jì)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(yīng)該去除保水層。ACFC CS有一個(gè)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(jì)算結(jié) 果如下圖4所示。正值表示仿生葉片吸收的熱量，負(fù)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(fù)值。所以微孔 疏水薄膜是ACFC CS仿生葉片的關(guān)鍵。VlUlHil 1廚面r hdldih 屆出IC II 12 13 14

15、15 吊時(shí)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(gè)較低的熱導(dǎo)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(dǎo)過程的影響因素，理想ACFC CS和EG CS的熱傳導(dǎo)過程相同，依據(jù)總熱 容原理，仿生葉片上下表面的溫度應(yīng)該相等。圖5展示了理想的仿生ACFC CS葉 片、實(shí)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(dǎo) 率對仿生葉片上表面溫度有重要影響。高熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)該選擇高熱導(dǎo)率的EG CS層作為CS層。52-.自然葉片02468 10 12 14 16 18 20 22 24時(shí)間 由）圖5理想ACFC CS、實(shí)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(jì)算結(jié)果如下圖6所示。EG CS 有一個(gè)較低吸收-解吸速率，所以我們假設(shè)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(gè)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(dāng)氯化鈣含量達(dá)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(shí)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(shè)計(jì)計(jì)算表明EG CS仿生葉片能夠很好的模擬植物葉片的熱力學(xué)特性。為了 驗(yàn)證仿生葉片的效果。2013年4月25日進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)?？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(xué)性能。仿生葉準(zhǔn) 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(fù)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(fù)合塊加熱到90C保溫3分鐘。最后，綠色涂料噴涂在復(fù)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(shù)有限公司生產(chǎn)的紅外熱像儀記錄HY6860記錄植物每小時(shí)的溫度。每兩小時(shí)測量和記錄仿生葉片的質(zhì)量。圖8表達(dá)了仿生葉片的溫度記錄和 植物葉片的溫度記錄。表2表達(dá)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