Ученые скопировали жабры рыб для создания новых теплообменников

Исследователи Корнельского университета разработали гибкие перфорированные панели, конструкция которых повторяет принцип работы рыбьих жабр. Такое биоинспирированное решение позволяет значительно повысить эффективность смешивания тепла и молекул в жидкостях.

Иконг Фу, аспирант в области машиностроения, вводит краситель в свой специально сконструированный, созданный по образцу биологических устройств термодиспенсер, чтобы наблюдать за рассеиванием частиц

Источник: Чарисса Кинг-О'Брайен/Корнелльский университет

В поиске альтернативы традиционным жестким компонентам, используемым в системах перемещения тепла и массы, инженеры обратились к биологическим прототипам. Аспирант кафедры машиностроения Иконг Фу совместно с профессором Сунхваном Чонгом из Корнельского университета изучили устройство рыбьих жабр — мягкой пористой ткани, которая обеспечивает постоянное перемешивание воды для эффективного газообмена. Результатом этой работы стала разработка жаберного термодиспенсера, описанного в журнале Physical Review Fluids.

Ключевым отличием нового подхода стало использование не просто площади поверхности, как в большинстве существующих устройств, а подвижных элементов. Чтобы понять разнообразие природных механизмов, исследователи обратились к коллекции Музея позвоночных Корнельского университета. Анализ форм жабр и способов водопоглощения у разных видов помог связать анатомию живых существ с проблемой фильтрации в ламинарном потоке, где отсутствие турбулентности приводит к засорению и снижению эффективности, что характерно для систем диализа и очистки воды.

Увлечение жабрами рыб побудило исследователей из Корнельского университета разработать биоинспирированный подход к смешиванию тепла и молекул в жидкостях

Источник: Unsplash

Созданная экспериментальная установка представляла собой перфорированную гибкую панель, помещенную в туннель с аквариумом. Ее передняя кромка активно наклонялась, в то время как остальная часть пассивно двигалась. Наблюдения с помощью высокоскоростных камер показали, что движущиеся панели формируют вихревые узоры, принципиально отличающиеся от тех, что создают жесткие конструкции.

Выяснилось, что гибкость системы позволяет ей адаптироваться к изменению частоты движения, поддерживая эффективное перемешивание. Жесткие панели, напротив, теряли эффективность при увеличении подводимой энергии. Компьютерное моделирование, проведенное на основе экспериментальных данных, подтвердило преимущества биоинспирированного подхода: использование гибких панелей обеспечило повышение средней равновесной температуры на 37–94% по сравнению с традиционными аналогами. По мнению ученых, эта работа демонстрирует важность учета гибкости и конфигураций с поперечным потоком, которые природа использует миллионы лет.

Ранее ученые раскрыли секреты теплообмена в перьях разных видов птиц.