[发明专利]一种基于楔形分形的树形自发定向运输收集流道结构

说明书

本发明属于平面流体流道设计领域，并公开了一种基于楔形分形的树形自发定向运输收集流道结构，其具有多级楔形枝干，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，梯度角为与上底相连的两斜边的夹角；第i+1级楔形枝干的下底附在第i级楔形枝干的斜边上，第i+1级楔形枝干的下底等效长度与第i级楔形枝干的上底长度的关系如下：D_i+1≤D_i′,第i+1级楔形枝干与第i级楔形枝干中心线夹角为φ_i(i+1)。本发明利用楔形基本单元具有梯度结构，使流体在流道上产生拉普拉斯压力差，自发驱动流体在流道上定向运输，并且沿着连续性的分形结构运输收集，可提高流体的定向运输收集效率和实现大面积制作。

技术领域

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，但是运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。

发明内容

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；