对高效热管理系统的不懈追求已成为现代工程学的一个核心挑战，这一需求源于电子、可再生能源和航空航天领域对紧凑型、高性能设备的需求不断增加[1]、[2]。传统的换热器依赖于固定的几何形状和层流动力学，由于表面与体积比以及流动引起的压力损失等固有限制，往往难以满足这些需求[3]、[4]。这一技术瓶颈促使人们转向仿生工程学，即通过数百万年的进化优化，从生物系统中寻找克服设计限制的方案[5]、[6]。
仿生工程的最新进展表明，模仿生物结构可以提升热系统性能[7]。例如，受肺泡或叶片脉络图案启发的微通道换热器通过增加表面粗糙度和重新分配流动，显示出改善对流热传递的潜力[8]、[9]、[10]。同样，白蚁丘的层次多孔结构也为建筑设计中的被动冷却策略提供了灵感[11]。然而，这些方法通常只关注孤立的形态特征，而没有考虑复杂自然系统中观察到的集成多特征优化[12]、[13]。这突显了在仿生热工程中需要更全面的设计框架。尽管具有这种潜力，但将这些生物原理转化为功能性工程系统仍处于初级阶段，主要受限于对微观形态特征如何协同增强热传递性能的理解不足。
为了追求高效的热系统和流体系统，人们越来越多地从自然界中寻找灵感，这一领域被称为仿生学。在生物系统中，水生物种的呼吸器官，特别是像黄鳍金枪鱼（Thunnus albacares）这样的高性能游泳者的鳃，代表了气体交换方面进化优化的巅峰。黄鳍金枪鱼的鳃结构因其高效的气体交换能力而成为重要的仿生来源，这对于其在持续游泳过程中维持高代谢率至关重要[14]、[15]、[16]。这种卓越的性能是通过复杂的层次结构实现的，包括初级鳃丝和次级鳃片，它们共同创造了巨大的表面积以促进扩散，同时最小化了水流的流体动力阻力[17]、[18]。这些微观结构的复杂排列和形态被认为有助于促进有益的流体动力学现象，如边界层的破坏和混合的增强，从而直接提高了传递过程[19]、[20]。这些适应性对于它作为海洋生态系统中的顶级捕食者的角色至关重要。然而，迄今为止，尚未有关于模仿金枪鱼鳃丝微观结构的应用研究。
支持这一性能的关键生理机制是“冲压通风”。在这个过程中，金枪鱼持续张开嘴巴游泳，迫使水流经过鳃部以促进氧气吸收[21]、[22]。该系统的效率在很大程度上归功于鳃丝内的结构适应性，这些适应性显著增强了呼吸效率，以满足持续高速运动所需的能量[23]、[24]、[25]。支撑这种高性能的核心物理机制是逆流交换，即鳃丝内的缺氧血液流动方向与流经其上的富氧水方向相反。这种配置在整个交换表面上保持了有利的扩散梯度，这一高效原理与许多工程换热器的运作逻辑高度相似。因此，金枪鱼鳃生物学中的逆流交换系统为设计下一代高效换热器提供了一个非常有前景和复杂的仿生模型。
因此，本研究旨在通过系统地研究黄鳍金枪鱼鳃丝的微观结构，并将关键的仿生特征——包括层状融合、前缘/后缘丝以及筛状结构——融入创新的换热器设计中，来填补现有的研究空白。通过结合形态学分析、计算流体动力学模拟和实验验证的方法，开发并优化了一种仿生通道结构，以提高热流体性能。主要贡献在于提出了一种全面的仿生设计框架，不仅提高了热传递效率，还显著降低了流动阻力，从而为紧凑型、高效的热管理系统提供了新的范例。
