一种基于楔形分形的树形自发定向运输收集流道结构的制作方法

本发明属于平面流体流道设计领域，更具体地，涉及一种自发定向运输收集流道结构。

背景技术：

近年来，干旱和半干旱地区水资源缺乏日益严重。然而，一些生物例如甲虫，仙人掌却能够适应恶劣的生存环境，其主要原因在于它们具备高效的流体收集能力，从而满足日常的水需求。人们受此启发设计和制备了一系列水汽收集仿生结构，主要有：仿甲虫的亲疏水相间的平面周期性结构；仿仙人掌的三维锥形梯度结构；仿蜘蛛丝的三维纺锤体结构。三者的详细描述如下：

第一，仿甲虫的亲疏水相间周期性平面结构，主要结构是以圆形、方形等图形阵列作为亲水区域收集空气中的水，图形背景的区域为疏水区域，从而使得收集到的水借助重力的作用完成液滴的掉落收集。主要缺点在于表面会有较多的残留液滴，增加了冷凝热阻，不利于持续性的液滴冷凝和流体收集，而且阵列的亲水区域增加了对水的粘附力，使得液滴无法迅速掉落。由于疏水区所提供的流道无法实现液滴的定向移动，因此收集效率比较低；

第二，仿仙人掌的三维梯度结构，主要结构是以圆锥体为阵列结构的基本单元用于流体的收集，锥体表面上的液滴在重力和拉普拉斯梯度力的共同作用下可以使得锥尖上的液滴自发转移到锥底进行水的收集，但是动到锥底的液滴无法继续定向移动，因此收集液滴存在较大的难度，也会有较大的液滴残留，此外锥形的加工工艺很复杂；

第三，仿蜘蛛丝的纺锤体三维结构，主要结构是纺锤体为主要单元的周期性结构作为收集水的区域，纺锤体两端的水在表面拉普拉斯梯度力的作用下将自发沿着纺锤体的中心移动，当液滴足够大时，液滴在重力的作用下克服粘附力而掉落，从而完成流体的收集。相比较于二维平面流道而言，主要缺点在于加工制备难度大，结构强度低。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于楔形分形的树形自发定向运输收集流道结构，可以大大提高流体的定向运输收集效率。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于楔形分形的树形自发定向运输收集流道结构，其特征在于，其具有多级楔形枝干，在该树形自发定向运输收集流道结构的纵截面上，对于每级楔形枝干而言，第i级楔形枝干的纵截面的下底等效长度为D_i、梯度角为整体高度为L_i及上底长度为D_i′，并且其上底长度小于下底等效长度，其中，梯度角为与上底相连的两斜边的夹角，i＝1,2...n，n为楔形枝干的总级数，第1级楔形枝干作为主枝干并且其上底与下底平行，该第1级楔形枝干的整体高度L₁为上底和下底之间的距离；

此外，第j级楔形枝干的下底附在第j-1级楔形枝干的斜边上，第j级楔形枝干的下底等效长度与第j-1级楔形枝干的上底长度的关系如下：D_j≤D′_j-1，以保证流体从第j级朝第j-1级依次流动，其中j＝2,3...n，第j级楔形枝干的下底等效长度是指，从第j级楔形枝干的每条斜边的远离上底的端点引出与上底平行的直线，每条直线分别与另一条斜边相交，这两条直线在这两条斜边之间形成两条线段，较长线段的长度则为第j级楔形枝干的下底等效长度，此外，第j级楔形枝干的整体高度L_j是指：第j级楔形枝干的上底的垂直平分线与第j-1级楔形枝干的上底的垂直平分线的交点到第j级楔形枝干的上底的距离。

优选地，第j级楔形枝干的上底的垂直平分线与第j-1级楔形枝干的上底的垂直平分线的夹角为该夹角流体在流道上的要求运动速度决定，该夹角越大，流体运输的速度越快，每一级楔形枝干的整体高度L_i由流体在该级别要求运动的距离决定。

优选地，所有第j级楔形枝干所能容纳的流体的流量总和为Q_j，所有第j-1级楔形枝干所能容纳的流体的流量总和Q_j-1，并且Q_j≤Q_j-1。

优选地，对于附在同一个第j-1级楔形枝干上的第j级楔形枝干而言，相邻两个第j级楔形枝干的间距T_(j-1)j根据最佳收集液滴的尺寸确定。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明构建了连续性的楔形梯度使得流体在流道上产生连续的拉普拉斯压力差和表面能差驱动力，使得流体在长距离流道上的自发驱动定向运输和收集，大大提高了流体定向运输的速度。

(2)采用分形几何的自相似原理设计了多级楔形流道，精确控制了冷凝区域所能产生的最大液滴尺寸，实现大面积的流道的同时加快了冷凝区域的定向收集，大大提高了冷凝效率。

(3)本发明利用叶脉进行仿生，采用分形思想构建多级楔形流道结构，使得布满整个表面的楔形流道可以实现冷凝面上的所有液滴都定向移动到流道上，并且沿着流道运输收集到同一个点上，极大的减少了冷凝面的液滴残留，由此大幅度提高了收集效率。

附图说明

图1为本发明实施例中二级分形楔形流道结构尺寸示意图；

图2为本发明实施例中二级分形楔形流道流体收集示意图；

图3为本发明实施例中三级分形楔形流道结构尺寸示意图；

图4为本发明实施例中三级分形楔形流道流体收集示意图；

图5为本发明实施例中四级分形楔形流道结构尺寸示意图；

图6为本发明实施例中四级分形楔形流道流体收集示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图6，一种基于楔形分形的树形自发定向运输收集流道结构，其具有多级楔形枝干，在该树形自发定向运输收集流道结构的纵截面上，对于每级楔形枝干而言，第i级楔形枝干的纵截面的下底等效长度为D_i、梯度角为整体高度为L_i及上底长度为D_i′，并且其上底长度小于下底等效长度，其中，梯度角为与上底相连的两斜边的夹角，i＝1,2...n，n为楔形枝干的总级数，第1级楔形枝干作为主枝干并且其上底与下底平行，该第1级楔形枝干的整体高度L₁为上底和下底之间的距离；

此外，第j级楔形枝干的下底附在第j-1级楔形枝干的斜边上，第j级楔形枝干的下底等效长度与第j-1级楔形枝干的上底长度的关系如下：D_j≤D′_j-1，以保证流体从第j级朝第j-1级依次流动，其中j＝2,3...n，第j级楔形枝干的下底等效长度是指，从第j级楔形枝干的每条斜边的远离上底的端点引出与上底平行的直线，每条直线分别与另一条斜边相交，这两条直线在这两条斜边之间形成两条线段，较长线段的长度则为第j级楔形枝干的下底等效长度，此外，第j级楔形枝干的整体高度L_j是指：第j级楔形枝干的上底的垂直平分线与第j-1级楔形枝干的上底的垂直平分线的交点到第j级楔形枝干的上底的距离。

进一步，第j级楔形枝干的上底的垂直平分线与第j-1级楔形枝干的上底的垂直平分线的夹角为该夹角流体在流道上的要求运动速度决定，该夹角越大，流体运输的速度越快，每一级楔形枝干的整体高度L_i由流体在该级别要求运动的距离决定。

进一步，所有第j级楔形枝干所能容纳的流体的流量总和为Q_j，所有第j-1级楔形枝干所能容纳的流体的流量总和Q_j-1，并且Q_j≤Q_j-1。

进一步，对于附在同一个第j-1级楔形枝干上的第j级楔形枝干而言，相邻两个第j级楔形枝干的间距T_(j-1)j根据最佳收集液滴的尺寸确定。

流道结构具体设计方法如下：

(1)设计确定一级(分形级数i＝1，主叶脉)楔形枝干的下底尺寸D₁，楔形的梯度角为整体长度为L₁，由此可得楔形枝干上底的尺寸为D₁′，流道图形记为P₁；图形下底最小尺寸D₁′根据流道设计需要和所采用的技术共同决定，由流体在流道上的要求运动速度决定，越大，流体运输的速度越快，L₁由流体在该级别要求运动的距离决定，D₁可由D₁′，和L₁计算得到；

(2)由于流体需要从某一位置自发定向运输到指定位置，根据梯度力差的延续性，设计确定二级(分形级数i＝2，次叶脉)楔形枝干的下底尺寸D₂(满足D₂≤D′₁)，楔形的梯度角为整体长度为L₂，由此可得二级楔形枝干上底的尺寸为D₂′，一级和二级楔形枝干的上底的垂直平分线的夹角为φ₁₂，在一级楔形枝干上根据最佳收集液滴的尺寸作为阵列周期沿着一级楔形枝干左右两边或者单边边缘阵列排布一级楔形枝干P₁，从而增大运输水的流道数量，流道图形记为P₂，同时二级楔形的流道上的流道量总和不能超过一级流道所能容纳的流道量，即满足Murrary定律：

其中，n_j为第j级流道的总数，α根据流动状态确定，这里满足

图形上底最大尺寸D₂根据上一级别的流道下底的D′₁决定，为了使得梯度力的延续性，需要满足D₂≤D′₁，能够使得液滴在流道级别转换时继续沿着具有梯度的流道移动而不产生滞留流体，在一级楔形枝干边缘阵列排布二级楔形枝干P₁的周期间隔根据最佳收集液滴的尺寸确定，二级流道和一级流道的上底的垂直平分线的夹角为当为流道上表面与水平面夹角的补角时，流体沿着流道收集的效率最高；

在一级楔形枝干边缘阵列排布二级楔形枝干的周期间隔T₁₂根据最佳收集液滴的尺寸确定，后续的其它级的周期间隔如二级与三级的周期间隔T₂₃、三级与四级的周期间隔T₃₄的确定也与此相同。

(3)重复(2)的设计方法，得到三级(分形级数i＝3，三级叶脉)楔形枝干的下底尺寸D₃(满足D₃≤D′₂)，楔形的梯度角为整体长度为L₃，由此可得楔形枝干上底的尺寸为D′₃，二级和三级楔形枝干的夹角为φ₂₃，同理为了增加运输水的流道数量，在三级楔形枝干左右两边阵列排布流道，流道图形记为P₃，同样满足Murrary定律，

(4)重复(3)的设计方法，以此类推可以得到n级流道图形P_n，同样满足Murrary定律，分形级数n可以根据实际需要流道的大小决定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。