模拟叶片蒸腾作用热效应的仿生叶片(定稿)

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1、科技论文翻译，原文来自中国知网：BionicLeafSimulatingtheThermalEffectofNaturalLeafTranspirationZhiYuan,HongYe,ShiminLi模拟叶片蒸腾作用热效应的仿生叶片摘要我们提出了一种模拟真实叶片蒸腾作用热效应的仿生叶片。首先把这种仿生叶片设计为由绿色表皮、保水层、复合吸附层和吸收-解吸速率控制层组成的。建立一个热力学模型，基于该模型的仿真结果表明保水层不是必要的。高热传导性的复合吸附剂应该被选为复合吸附层；由于复合吸收-解吸速率控制层的速率低，所以吸附-解析速率控制层应该被去除；当CS的二氯化

2、钙质量达到40%，仿生叶片可以模拟植物叶片的动态热效应。基于仿真结果，我们制备了具有不同氯化钙含量的仿生叶片。利用红外成像仪捕捉仿生叶片和自然叶片的温度数值。测量得到两种叶片的平均辐射温度差小于1℃。关键字：仿生叶片，复合吸附材料，蒸腾作用，热效应，叶温1介绍人类的许多发明和创造都是受到对自然叶片的结构、组成和特殊性质理解而得到的启发。因为水在一些叶片表面的接触角受到表面微细结构的影响，比如水稻的叶子和莲叶都具有超疏水的特性。基于生物的超疏水原理，大量的超疏水材料被设计出来。植物叶片的微细结构也具有自清洁的功能。基于这种具有自清洁功能的仿生叶片有很大的应用范围。

3、植物叶片的水和色素对叶片的光合作用特性有很大影响。根据植物叶片的组成，Yangetal.设计了一种仿生叶片，该叶片具有和自然叶片相同的光合作用特性。而且，植物叶片的非光滑特性已经得到许多研究人员的注意。当前关于仿生叶片的研究很少涉及植物叶片生理活动的模拟。蒸腾作用是植物叶片基本的生理活动。早在上世纪60年代，David发现蒸腾作用对于叶片的温度具有很大的影响。由于蒸腾作用，大果栎的叶温会比日照条件下的大气温度低。Marceletal.报道了相似的现象，玫瑰花的蒸腾作用使得玫瑰花的叶温降低，并且使得玫瑰花所处的温室温度比强日照条件下的大气温度低。在我们先前的研究中

4、，我们深入研究了蒸腾作用的冷却效应。蒸腾作用的潜热消耗了叶片所吸收的太阳能总量的32.9%，并且使叶温降低了8.2℃。为了模拟植物叶片的热红外特性，叶片的蒸腾作用必须被考虑在其中。基于樟树叶的热量和质量转换分析，我们提出了一种多层结构的仿生叶片，这种叶片可以被用于模拟植物蒸腾作用。仿生叶片被设计成由绿色表皮、保水层和复合吸收层组成的。CS层是仿生叶片的关键组成材料。在夜晚，当大气相对湿度较高的时候，CS层可以吸收水蒸气；在白天，当大气湿度较低的时候，CS层可以析出吸收水蒸气。在这次研究中，我们建立了仿生叶片的热力学模型，并且测量了CS层对水蒸气的吸收性能。然后分

5、析了仿生叶片的计算设计。基于设计结果，一种仿生叶片的基本样品被提出。测量它的动态热红外特性与自然叶片做比较。2仿生叶片的结构和热力学模型考虑到植物叶片的气孔可以调节叶片蒸腾作用速率，我们改进了前面提到的仿生叶片的结构，如图1所示。在复合吸收层下方增加吸收-解吸速率控制层来调节吸收速率。多微孔薄膜结构可以被用作吸收速率控制层，水蒸气可以通过多微孔薄膜的微孔，但是液体水不能通过。图1表达了仿生叶片与环境之间的热交换过程。其中Qrad和Q’rad分表表示仿生叶片上下表面分别与空气和地面之间的辐射传热热量；Qconv和Q’conv分表表示仿生叶片上下表面与空气和地面空气

6、之间的对流传热传热热量；Qads表示吸收和解吸过程中的潜热，如果当前的吸收量大于平衡时的吸附收则发生解吸，否则发生吸收过程。Qsoalr表示光照强度。图1仿生叶片的结构和与环境之间的传热为了简化仿生叶片的热力学模型，忽略仿生叶片的绿色表皮和吸收-解吸速率控制层的厚度。认为仿生叶片上表面对太阳能的吸收率和辐射率和绿色表皮上的相等。吸附-解吸速率控制层的水蒸气扩散阻力被考虑到吸附-解吸模型中。因此，我们仅仅需要建立保水层和CS层的热力学方程就可以了。保水层的热力学方程如下：ρwatercwater∂T∂t=kwater∂2T∂y2(1)其中，ρwater，cwate

7、r，kwater分表表示水的密度、热容和热导率。保水层上表面的热通量按如下式计算：q1n=αsGsolar-αsσT4-Tsky4-h1(T-T∞)(2)方程2右边第一项表示仿生叶片上表面吸收的太阳辐射能，其中αs表示绿色表皮层对太阳能吸收率，第二项和第三项表示仿生叶片与环境的辐射传热和对流传热，其中αs表示绿色表皮层的辐射率，h1表示仿生叶片上表面与环境的对流传热系数，T∞和Tsky分别表示空气温度和大气温度。CS层的热力学方程如下3式：ρc+cwaterx∂T∂t=k∂2T∂y2+∆Hρdxdt(3)在方程右边，第一项表示热传导的净能量，其中ρ、c和k分别表

8、示CS层的密度、热容和热