在基体材料中分布通道网络形成通道网络/基体复合结构在散热工程、组织工程、自修复材料、光催化材料、染料光敏太阳能电池等领域有着广泛应用。通道网络是通道网络/基体复合结构中快速传输、分散(或收集)能量、物质等的路径,因此通道网络结构决定了通道网络/基体复合结构的性能。目前,通道网络结构优化方法主要有Murray定律、分形理论和构形理论。Murray定律确定了高效通道网络节点处通道直径应该满足的关系,是高效通道网络结构应当满足的必要条件,但无法确定高效通道网络整体结构;分形理论根据自然界中通道网络自相似特性给出了构建分形通道网络整体结构的规则,但没有给出通道网结构优化的数学方法;构形理论确立了一种高效通道网络整体结构优化的数学方法,由“最优”结构单元组建更高一级的结构并对“最优”结构单元数目进行优化逐步构建通道网络整体结构,但是逐步局部优化获得的结构并非全:局最优结构。因此建立新的通道网络整体结构优化方法是亟需解决的关键问题。自然界中存在着大量通道网络/基体复合结构,例如河流网络系统、动物循环系统、植物叶片等,是人们进行通道网络结构优化的重要灵感来源。植物叶片是自然界中普遍存在的通道网络/基体(叶脉网络/叶肉)复合结构。叶脉网络水传输性能与叶片生理功能密切相关,经过亿万年进化产生的叶脉网络结构具有高效的水传输性能以满足叶片生理功能需求,因此叶脉网络结构特征将会为构建通道网络/基体复合结构优化方法提供启迪。本文根据自然界中最主要的两种植物叶片(羽状叶片和掌状叶片)的叶脉网络结构特点,即分级、羽化、掌化,构建了新的通道网络/基体复合结构中通道网络结构优化方法,并进一步研究了构建的通道网络结构优化方法在微流体传输和热传输方面的应用,主要创新研究结果如下:一、基于羽状叶片结构特点构建了羽化分级通道网络/基体复合结构模型。通过数学解析建立了羽化分级通道网络中分散通道间距与模型流体通量的关系:当分散通道间距D远远大于模型厚度H时,模型流体通量Jm正比于1/D;当D远远小于H时,Jm正比于1/H与D无关,并确定了分散通道最优间距Dopt=χH(χ为比例常数)。通过数学解析建立了羽化分级传输通道网络结构参数m与通道网络中最大势降、平均势降的关系,构建了羽化分级传输通道网络结构优化的数学方法。m>1表明传输通道网络结构发生了羽化,最优羽化分级传输通道网络与二分分级传输通道网络(m=1)相比可以显著降低最大势降、平均势降:在恒体积约束、层流条件下分别降低了 66.3 8%、80.34%;在恒体积约束、渗流条件下分别降低了54.71%、72.80%;在恒面积约束、层流条件下分别降低了86.65%、92.44%;在恒面积约束、渗流条件下分别降低了 66.3 8%、80.34%。二、基于羽化分级通道网络/基体复合结构模型构建了羽化分级微流体通道网络/规则多孔基体复合结构,通过数学解析确定了最优羽化分级微流体通道网络/规则多孔基体复合结构。采用印刷法和3D墨水直写技术相结合精确制备了结构可设计的分级微流体通道网络/规则多孔基体。测量不同结构分级微流体通道网络/规则多孔基体中水的流动阻力,结果表明最优羽化分级微流体通道网络与二分分级微流体通道网络相比可使水的流动阻力减小77.3%。三、基于羽化分级通道网络/基体复合结构模型构建了羽化分级高热导率通道网络/基体复合结构热传输模型。通过数学解析建立了羽化分级高热导率通道网络中收集通道间距与收集通道/基体间最大温差ΔTmax,1的关系:当收集通道间距D远远大于模型厚度H时,ΔTmax,1正比于D2;当D远远小于H时,Δmax,1正比于H2与D无关,并确定了收集通道最优间距Dopt=H。通过数学解析建立了羽化分级高热导率通道网络结构参数m与通道网络中最大温差的关系,m>1表明通道网络结构发生了羽化,构建了羽化分级高热导率通道网络结构优化的数学方法,确定了最优羽化分级高热导率通道网络结构。通过Ansys有限元数值计算了不同结构高热导率通道网络/基体中最大温差,结果表明最优羽化分级高热导率通道网络与二分分级高热导率通道网络(m=1)相比可使最大温差下降21.03%,通过数值计算验证了数学解析结果的正确性。四、基于掌状叶片结构特点建立了掌化分级通道网络/基体复合结构模型。通过数学解析建立了掌化分级传输通道网络结构参数N、m与通道网络中最大势降、平均势降的关系,构建了掌化分级传输通道网络结构优化的数学方法。N>1表明传输通道网络发生了掌化,最优掌化分级传输通道网络与最优羽化分级传输通道网络(N=1)相比可以显著降低最大势降、平均势降:在恒体积约束、层流条件下分别降低了 34.47%、35.28%;在恒体积约束、渗流条件下分别降低了 54.04%、54.17%;在恒面积约束、层流条件下分别降低了28.13%、28.95%;在恒面积约束、渗流条件下分别降低了 34.47%、35.28%。五、基于掌化分级通道网络/基体复合结构模型构建了掌化分级微流体通道网络/规则多孔基体复合结构,通过数学解析确定了最优掌化分级微流体通道网络/规则多孔基体复合结构。测量不同结构分级微流体通道网络/规则多孔基体中水的流动阻力,结果表明最优掌化分级微流体通道网络与最优羽化分级微流体通道网络相比可使水的流动阻力下降46.1%,并且当最优掌化分级微流体通道网络中一根一级传输通道失效时水的流动阻力仅上升4.1%。六、基于掌化分级通道网络/基体复合结构模型构建了掌化分级高热导率通道网络/基体复合结构热传输模型。通过数学解析建立了掌化分级高热导率通道网络结构参数N、m与通道网络中最大温差的关系,构建了掌化分级高热导率通道网络结构优化的数学方法,确定了最优掌化分级高热导通道网络结构。通过Ansys有限元数值计算了不同结构高热导率通道网络/基体中最大温差,结果表明最优掌化分级高热导率通道网络与最优羽化分级高热导率通道网络相比可使最大温差下降34.21%,掌化分级高热导率通道网络更高效,通过数值计算验证了数学解析结果的正确性。通过Ansys有限元数值计算了传输通道失效对高热导率通道网络/基体复合结构热传输性能的影响,结果表明:当一根一级传输通道失效时最优羽化分级高热导率通道网络/基体复合结构中最大温差上升了 333.4%,而最优掌化分级高热导率通道网络/基体复合结构中最大温差只上升了16.3%,掌化分级高热导率通道网络更稳健。