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自然中的热现象: 大象毛发的散热特效

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发表于 2020-2-29 22:04:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
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图1 幼象稀疏毛发                  图2 针状肋散热器

毛发是哺乳动物区分于动物世界其它物种的主要特征。一般而言,哺乳动物通过消耗能量来保持体温恒定,而毛发的核心功能在于帮助身体减少热量散失。此外毛发还有调节体温、防止辐射、防御害虫等功能。我们知道,大象通常活动于温暖的亚热带地区,体积庞大,产热量大,体积与身体表面积的比例是所有陆地哺乳动物当中最大的。这导致大象产生了与大部分哺乳动物不同的热需求,即散热而不是保温的特殊热需求。因而,大象通常会利用扇耳朵、躲进树荫、往身上喷水和涂抹泥巴、让血液流经大耳朵等一系列方法来保持凉爽。但是,这些方法还难以满足一头成年大象每天数千瓦的散热需求。

在过去的很长一段时间内,在科学界大象被认为基本上是无毛的,因此科学家也就忽略对大象毛发研究。自18世纪初显微镜发明人列文虎克公开了第一张大象毛发的特写图片以后,有关大象毛发的研究才得以展开。科学家研究发现,大象毛发的主要功能并不保存热量,事实上有可能帮助大象散热。研究人员将大象身体不同部位不同长度和厚度的毛发视为有助于传递热量的针状肋。针肋阵列具有高面体比、体积小、传热效率高等优势,在流动条件下能够显著强化对流换热。因而,在有限的空间内,通过合理布置针肋数目以获得更大的比散热面积,大幅增加了大象表皮与空气接触的表面积,有效提升了表皮对环境的散热性能。

与传统矩形截面直肋散热器相比,不论是散热效率还是单位空间散热量,针肋散热器都有很大的优势,所以广泛应用于电子元器件降温冷却。基于大象毛发与针肋具有相同的结构特点,科研人员在针肋散热器的研究基础上,通过考虑一系列的风速和大象毛发的平均尺寸,估算出了热量在大象身体表面流动状况,然后改变这些毛发的密度和皮肤的光滑度,从而推断大象的毛发能够明显提高它们应对高温的能力。研究测算表明,大象这些毛发能够依靠风速提高大象身体任何位置上5%至20%的热量损耗。大象毛发根部的热量就如同电流穿过电网一样在毛发间流动,毛发利用根部从皮肤表面带走热量,然后通过毛发顶端散发热量。毛发上部的风速比皮肤表面的风速更强,因此毛发能够更快速的向流动的空气散发热量。

大象毛发特殊散热功效的研究,将为电子器件热管理领域涉及的针状肋片高效强化提供了新的思路和启迪。

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