由于巧妙地使用分支流体网络能量损失最小

特温特大学的研究人员开发了一种设计流体网络的理论方法，可直接应用于科学家和工程师。

分支网络内通道的最佳直径是使用图表确定的，以将网络内的能量损失保持在最低限度。即使存在标准等实际限制通道尺寸或公差等实际限制意味着通道直径不是最佳时，仍然可以减少或至少量化能量损失。

结果适用于广泛的系统，从热存储中的最佳热量分布和 3D 打印机的放大，到轴承和齿轮的润滑系统、CO 2和人工肺设计。该研究是工程技术学院的 Jan Siemen Smink、Kees Venner、Claas Willem Visser 和 Rob Hagmeijer 的成果，已发表在《流体力学杂志》上。

“肺部是分支流体网络的一个例子。仔细观察肺部，你会看到一个由微小通道组成的结构，空气通过这些通道吸入和呼出。气管分为更小的通道，这些通道又一次又一次地细分。这使空气与大表面积接触，从而允许氧气和二氧化碳的交换道。

“在人体和自然界的其他地方，我们在心血管系统和肾脏中发现了类似的网络，或者在树木中——从根部到叶子上的静脉。这些自然网络非常擅长限制能源、材料和空间的使用，因此效率很高。 ”

分支流体网络

该领域的大部分科学研究都集中在自然系统的描述上，很难适用于新技术系统的设计。然而，分支流体网络越来越被视为使用现有技术和新技术的重要见解的来源。示例包括管道系统(例如用于供气和供水)、工厂的工艺工程、3D 打印和微流控芯片(例如用于生物医学应用的实验室研究)。

“这些流体传输网络的设计和优化提出了许多挑战。什么样的几何形状可以被认为是最佳的?对于牛顿流体，例如水，这已经成为广泛研究的主题。但对于表现出更复杂行为的非牛顿流体，优化要困难得多。”

“对于非牛顿行为的某些特征形式，这个问题现已得到解决：例如，液体有时仅在一定压力下开始流动，或者一旦运动就会变得或多或少粘稠。其中包括血液、3D打印机墨水、玉米粉、牙膏、液体塑料和疏浚的泥浆。如何确定此类流体的最佳网络几何形状?我们的研究现已建立了针对此类情况的设计方法。”