形态/材料耦合仿生功能表面减阻特性及机制

模仿海豚皮肤特殊结构的形态/材料耦合仿生功能表面可有效降低流体机械表面阻力,是流体机械实现节能减排的研究热点。该文采用流固耦合模拟技术,针对上述功能表面的面层材料及基底仿生形态2种耦合因素,各取3种不同的数值模型,对其减阻特性进行研究。计算结果表明:面层材料的弹性模量及基底仿生形态的间距对其减阻特性影响较大;面层材料的弹性模量越小,其顺应流体介质的能力越强,减阻效果越好;基底仿生形态的间距对于黏性阻力的影响效果显著,当间距为2 mm时,其减阻效果最好。减阻机制主要体现为:仿生耦合功能表面面层材料的弹性变形导致其实际流固接触界面与流固耦合界面产生分离,使其表面速度梯度降低,从而实现表面摩擦阻力的降低。     

离心泵仿生减阻增效涂层的涂覆工艺参数优化

仿生减阻功能表面应用于离心式水泵关键零部件的过流部位,可显著提升水泵效率。仿生减阻增效功能表面以海豚皮肤为仿生原形,包含刚性基底和涂层2部分,一般由高黏性聚氨酯在刚性基底表面浇注生成功能表面涂层。涂层厚度对泵效率影响最为显著,由于聚氨酯高黏性特征和传统涂覆工艺技术的限制,很难在叶轮复杂流道表面实现高效、高质的涂覆。针对上述难题,该文利用自制旋转涂覆设备,通过对聚氨酯材料的浇注温度、设备旋转速度、涂覆持续时间的优化控制涂层厚度,建立拟合方程并进行试验验证。试验结果表明,以200QJ50-26水泵叶轮为载体,影响功能表面涂层厚度的主次因素依次为设备旋转速度、浇注温度、涂覆持续时间。通过拟合方程预测出叶轮流道内表面涂层厚度为0.5 mm时的最佳涂覆参数组合:涂覆时间53.7 s、旋转速度401 rad/min、浇注温度90.1℃。涂覆试验检验结果表明,利用上述优化工艺参数控制的功能表面涂层厚度与拟合方程计算厚度相比,误差小于5%,计算结果可靠。研究结果可为离心泵仿生减阻增效功能表面面层材料涂覆的工程化施工提供参考。     

肋条状仿生非光滑表面铸造成型方法

鲨鱼皮肤表面的肋条状（riblet）非光滑结构具有减阻功能,已经被证实,但这种仿生非光滑表面在复杂铸件表面上难以实现,严重制约了它在工程上的应用。该文以横截面为三角形的非光滑结构为例,以200QJ50-26型离心式水泵叶轮表面为载体,对仿生非光滑表面一次铸造成型原理及工艺进行探讨。该工艺采用原料→切割成型→涂高温漆→粘贴→风干→修剪→成型→铸造的流程,尤其是高温漆的选择及涂抹对该成型工艺具有至关重要的作用。采用仿生非光滑表面一次铸造成型法能形成设计要求的三角形沟槽的尖角,而且在叶轮内部全流道能够形成非光滑表面,其适应于复杂零件非光滑表面的加工。     

基于座头鲸"结节效应"的仿生离心泵空化特性

为了研究离心泵空化抑制策略，改善离心泵的空化特性，该研究基于仿生学中的座头鲸鲸鳍"结节效应"提出了一种仿生离心泵模型。对原型泵和仿生模型的瞬态空化流进行了数值模拟，并使用水力性能和空化性能试验对算法进行验证，分析了原型泵和仿生模型的外特性和空化特性，以及叶轮流道内空泡发展、压力脉动、涡量场、压力分布、湍动能分布情况。结果表明：数值模拟结果与试验结果吻合较好，仿生结构对原型泵水力性能影响较小，扬程变化范围为：-0.73%～0.77%，效率变化范围为：-1.74%～2.52%；仿生模型有效抑制了空泡发展，减少了空泡体积，在空化初生阶段抑制效果最好，平均空泡体积分数减少99.72%，仿生模型较原型泵的空化特性得到改善，提高了原型泵的水力性能；仿生模型降低了离心泵内多个位置的压力脉动主频幅值；仿生结构处产生的对漩涡会改变叶轮涡量场，使叶轮进口低压区减少的同时降低了叶轮流道内的湍动能，达到抑制空化发生和限制空化发展的作用。仿生模型可以有效的抑制离心泵空化的发生，改善离心泵的空化性能。     

基于高频PIV的偏航对风力机叶片尾迹膨胀和叶尖涡耗散影响

为了揭示叶片尾迹结构随偏航角变化的响应特征,该文以直径为1.4m的水平轴风力机为模型,利用高频PIV开展了尾迹流场特征的试验测试,探究了尾迹膨胀、叶尖涡耗散与来流风速、接入负载(即叶片转速)、偏航角度间的关联性和关联规律。研究结果揭示:不偏航时,随着发电机接入负载的增加,尾迹流动向风轮外侧膨胀的趋势变大,外流场与尾迹流场间的掺混效应加剧,从而导致叶尖涡耗散速率加快;偏航时,偏航行为会使尾迹流场向风轮内侧收缩,且收缩速率会随着偏航角的增加而变大,此时外侧流场与尾迹流场间的掺混效应减弱,从而导致叶尖涡扩散速率减小。测试结果同时揭示:在叶尖涡脱落的初始阶段,涡量值存在先增大后减小的规律性变化。同时,偏航状态下,叶片转速的增加会促使最大涡量值点提前出现,且提前出现的趋势会随偏航角的增大而加剧。该文以试验测试的方法揭示了叶片的尾迹膨胀和叶尖涡耗散特征,相关成果对于叶片尾迹结构组成和输运规律的深入探究具有较重要的参考价值。     

基于本征正交分解的水平轴风力机非定常尾迹特性分析

风力机的尾流效应对下游风力机的气动性能和疲劳载荷均有重要影响。为了研究叶尖速比对水平轴风力机非定常尾迹特性的影响,该研究在中性大气条件下采用基于致动线模型的大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）方法对不同叶尖速比下运行的风力机进行了数值模拟,并采用本征正交分解（Proper Orthogonal Decomposition, POD）方法对风力机尾迹结构进行了分析。结果表明,叶尖速比对风力机下游12D（D为风轮直径）范围内速度分布有显著影响,随着流向距离的增加,叶尖速比的影响逐渐减弱;风轮尾迹中2D处的速度亏损最大,在下游28.5D附近速度完全恢复;叶尖速比对风力机尾迹湍流强度有很大影响,叶尖速比为2时尾流湍流强度最弱,而叶尖速比为3时尾流湍流强度最大,说明该叶尖速比下尾流与大气边界层掺混作用剧烈,有利于尾迹速度恢复;叶尖速比对风力机尾迹结构的尺度和含能大小有显著影响,叶尖速比为3时尾迹中的大尺度结构及其含能占比最高,随着POD模态阶数的增加,尾流结构尺度和含能逐渐减小;风力机尾迹结构由反向旋转的高、低速涡对组成,其垂向尺度可达到整个边界层厚度,而风力机风能吸收利用效率主要体现在尾迹展向湍涡结构的尺度。该研究可为深入理解叶尖速比对风力机尾迹平均统计特征及结构演化的影响提供依据,为风力机优化设计和运行策略制定提供帮助。     

湍流模型在泵站进水池漩涡模拟中的适用性研究

泵站进水池表面漩涡、附底漩涡和附壁漩涡是影响水泵装置稳定运行的重要因素,为研究不同湍流模型在进水池漩涡模拟中的适用性,分别采用标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型和Realizable κ-ε模型3种湍流模型对进水池流场进行了数值计算,得到了进水池内漩涡位置及强度信息,并与试验进行了对比分析.结果表明,Realizable κ-ε模型对进水池表面涡、附底涡和附壁涡的位置和形状预测比较准确,对漩涡的切线速度和环量的预测也与试验值更为接近.为泵站进水池的水力设计与结构优化具有指导作用.     

基于螺旋贝壳仿生的发动机增压器涡轮蜗壳设计提升涡轮性能

增压器蜗壳性能直接影响增压器整体效率和性能。通过降低蜗壳内腔流动阻力、减少蜗壳能量损失对提高增压器效率和性能具有重要意义。海洋螺旋形贝壳在进化过程中形成了减少流体阻力、降低运动过程中流体能量损耗的结构特征。该文以螺旋贝壳为仿生原型,通过逆向工程技术获取贝壳内腔数据,在几何分析的基础上提取内腔截面部分数据作为仿生蜗壳设计原始数据,并完成数学建模。通过数据优化得到增压器涡轮蜗壳仿生设计截面曲线,实现蜗壳仿生曲面设计。建立原型增压器和仿生增压器计算模型,在原型增压器仿真模型与台架试验吻合较好的条件下,采用流体力学软件对原型及仿生优化增压器涡轮效率、流通特性及蜗壳内流态等性能进行仿真分析。结果表明,涡轮流通能力不变情况下,仿生蜗壳使涡轮效率提升3%,最大可提升5%以上;流场分析结果表明,仿生优化蜗壳减小蜗壳壁面附近的流动损失和流道内气流摩擦,壳内流动平稳均匀,无旋流,是涡轮效率明显提高的根源。本文所采用的方法对增压器涡轮性能的提升显著,可以为汽车和农业机械涡轮增压系统设计和优化提供参考和借鉴。     

提高耐磨与破碎性的仿生凹坑形磨辊设计与试验

为了提高水泥辊压机磨辊的耐磨性与破碎性,以仿生非光滑理论为指导,在磨辊表面设计并加工出具有不同直径、不同深度、不同轴向间距及周向个数的仿生凹坑形结构,根据正交表编制试验方案并对磨辊进行磨损及破碎性试验。试验结果表明,仿生凹坑形结构可以有效提高磨辊的耐磨性与破碎性。相对于标准磨辊,其耐磨性最大提高29.06%,破碎性最大提高18.7%。当仿生磨辊的凹坑直径为8 mm、凹坑深度为2 mm、轴向凹坑间距为16 mm、周向凹坑个数为12时,是兼具耐磨性及破碎性的最优辊。通过有限元方法对磨辊所受应力进行分析时发现,合理的仿生凹坑形结构可以优化磨辊表层受力,减少磨辊磨损;磨辊挤压石英砂破碎时受到的最大挤压力是影响其破碎性的重要因素。通过单颗粒石英砂破碎试验可知,仿生凹坑形结构减少了石英砂对其表面的刻划,分散了石英砂对其表面的挤压力,提高了磨辊的耐磨性及破碎性。     

仿生减阻树木移植机铲片设计与试验

铲片是树木移植机的重要工作部件,其尺寸参数、形状以及数量分布决定着移植机的挖土性能和整机的能耗大小。为了有效减小铲片切削土壤时所受阻力、减小整机能耗,该文根据树木移植机的工作状况和特点,对铲片进受力分析并建立力学模型。仿照土壤动物步甲的掘土器官大颚的体表结构设计非光滑仿生铲片,运用动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA对原型铲片和仿生铲片切削土壤过程进行数值优化,通过原型铲片的数值仿真确定最佳铲片切削角为83?,在相同的铲片结构和土壤条件下,数值优化得到仿生铲片最佳参数为表面凸起直径14 mm,凸起中心距28 mm,凸起高度4 mm。根据最佳参数研制仿生铲片,并安装在移树机上进行原型铲片和仿生铲片的作业对比试验,发现仿生铲片有效减阻11.11%,证明了仿生非光滑铲片具有较好的减阻特性,可为整机节能降耗奠定基础。     

阀板尾迹对离心泵性能的影响

离心泵进水管路通常布置阀门供检修时切断水流，这会导致离心泵入流畸变。该研究旨在分析泵前检修阀所诱发的非定常尾迹特征及其对大流量工况离心泵运行特性的影响机理。试验对比了均匀来流和畸变来流条件下离心泵的外特性，数值模拟研究了阀板尾迹涡的流动特征及其对离心泵非稳态内流场的影响，分析了阀板尾迹涡诱发的叶轮径向力。结果表明：两种来流条件下数值模拟与试验得到的离心泵外特性误差在5%以内；对离心泵性能产生主要影响的尾迹涡主要来自阀门阀板一侧的边界层分离与卷吸，入流畸变导致大流量工况下离心泵效率相较于均匀入流下降9.15%，扬程降低1.2 m；阀板尾迹在离心泵入口产生1.9倍转频的脉动频率；尾迹涡的周期性入流导致两个叶片前缘的最大相对液流角由30°分别增大至43°和39°，这两个叶片的压力面脱流加剧，产生逐渐向下游耗散的失速团，叶片承受2倍转频的非稳态激振力；尾迹涡的周期性吸入导致叶轮上的时均径向力增大至均匀入流的4.5倍左右，最大径向力达到均匀入流的7倍左右，径向力矢量发生偏移，离心泵断轴风险加剧。研究结果可为工业现场中离心泵运行稳定性的改善提供理论依据。     

诱导轮时序位置对离心泵水力性能的影响

对带有诱导轮的离心泵而言,诱导轮相对叶轮的时序位置非常关键。为探讨时序位置对整台离心泵性能的影响,该文以某单级离心泵为研究对象,采用三维黏性非定常数值方法,对诱导轮相对叶轮的3种不同时序位置下离心泵的内部流动进行了模拟,并分析了其外特性、振动特性、空化特性随时序位置的变化。结果表明:随诱导轮时序位置的变化,离心泵的扬程和效率都是先增大后减小,扬程变化达1.3%,效率变化达1.32%;诱导轮叶片尾部压力面的漩涡逐渐消失。时序效应对叶轮与径向导叶间的动静干涉有影响,从而影响叶轮所受径向力的分布及叶轮内部和径向导叶头部的压力脉动特性;合理的时序位置可以改善离心泵的空化性能。     

半高导叶端面间隙对离心泵水力性能影响的数值模拟与验证

离心泵中存在各种间隙,其间隙流动极其复杂,易出现泄漏流、间隙涡等复杂湍流,影响离心泵的水力性能及运行稳定性.该文结合数值模拟与试验方法,采用SSTk–ω湍流模型,研究半高导叶端面间隙对离心泵水力性能及内部流场的影响规律,重点探讨半高导叶端面间隙对离心泵水力性能的影响机理.结果表明,适当的半高导叶端面间隙能有效改善离心泵水力性能,拓宽其高效区,导叶叶高为1.0时,最高效率点流量37.5m3/h处,而导叶叶高为0~0.8时,其最高效率点流量42.5m3/h处;导叶端面间隙为0.4~0.6导叶叶高时,离心泵的效率与扬程最优,且最大效率为57.5%;在0.6倍设计工况、0.8倍设计工况和1.0倍设计工况时,带半高导叶端面间隙的离心泵中叶轮做功和导叶内总压损失均高于普通导叶式离心泵,在0.6倍设计工况,导叶叶高为1.0时叶轮做功比导叶叶高为0~0.8时叶轮做功低将近7m水头,且在0.6倍设计工况和0.8倍设计工况下,导叶叶高为0时导叶内总压损失平均值比导叶叶高为1.0时分别高6.66m、4.62m水头;在1.2倍设计工况和1.4倍设计工况时,其叶轮做功和导叶内总压损失均低于普通导叶式离心泵;在各流量工况下,带导叶端面间隙的离心泵中蜗壳内总压损失均小于普通导叶式离心泵;随着流量增加,带半高导叶端面间隙的离心泵中叶轮-导叶动静干涉作用在逐渐减弱,叶轮-蜗壳动静干涉作用逐渐凸显.研究结果为离心泵导叶优化设计提供参考.     

环量分布对基于反问题设计的混流泵优化结果的影响

为定量研究叶轮出口环量分布对导叶式混流泵优化结果的影响，该研究在试验验证数值模拟准确性的基础上，以反问题设计为基础，结合最优拉丁超立方抽样法，径向基神经网络模型和多岛遗传算法，以0.8Qdes、1.0Qdes和1.2Qdes处泵段加权效率为优化目标（Qdes表示设计流量），以1.0Qdes处扬程变化小于3%为约束条件，在自由涡设计（叶轮出口环量恒定分布）和强迫涡设计（叶轮出口环量线性变化）两种不同方案下分别对比转速为511的导叶式混流泵叶轮进行参数化优化，并对优化结果进行对比分析。研究结果表明：以轮毂处环量值作为翼展方向环量分布控制参数，结合连续性方程、能量方程和径向平衡方程，对叶轮出口处环量分布进行计算是可行的；局部敏感性分析表明环量控制参数对优化结果具有较大影响，在优化设计中应该被考虑；自由涡设计优化结果的加权效率为84.14%，而在强迫涡设计中该加权效率为85.08%，且两者扬程均满足约束条件，内流分析表明强迫涡设计中效率的提升主要由叶轮出口附近流态的改善引起。研究结果可为同类型涡轮机械的优化设计提供参考。     

液环泵复合叶轮内流场及外特性分析

为分析复合叶轮液环泵的内流场及外特性,以2BEA203型液环泵为基础,综合考虑液环泵叶轮及复合叶轮设计原理,设计了液环泵复合叶轮,并采用数值模拟与试验测试相结合的方法对原型叶轮液环泵和复合叶轮液环泵内瞬态流场进行对比分析。结果表明:相对于原型叶轮液环泵,复合叶轮液环泵内气液分界面更加光滑,排气区及压缩区壳体处压力分布均有所降低,叶轮流道内二次流旋涡强度减弱。2BEA203型液环泵复合叶轮在0.02、0.035和0.05kg/s流量工况下的效率分别提升了2.7、3.8和4.3个百分点,各工况下的真空度也略有提高。由于流动的非对称特性,复合叶轮和原型叶轮液环泵壳体内压力脉动沿周向均呈现出明显的分区特性。液环泵壳体从吸气区开始沿圆周方向的压力脉动幅值先变小,在压缩区达到最小而后再变大;复合叶轮液环泵壳体绝大部分监测点处压力脉动幅值小于原型叶轮;液环泵壳体各分区的压力脉动呈现不同的主频特征。     

离心泵叶轮轴面图的全自动CFD优化

叶轮轴面图设计的好坏直接影响离心泵的效率。以轴面图上的前盖板圆弧半径R0和R1、前盖板倾角T1、后盖板圆弧半径R2、后盖板倾角T2等5个几何参数为自变量,以泵水力效率最大为目标,采用Isight集成Pro/E、Gambit和Fluent等软件,实现了对离心泵叶轮轴面图进行CFD全自动优化。优化样本数据设计采用最优拉丁方试验设计方法确定。采用该方法对一比转数为84.8的离心泵进行优化。结果表明：优化后的扬程比优化前提高了4.85%,且优化后的水力效率从83.20%增加到84.51%,提高了1.31个百分点。因此,建立的叶轮轴面图全自动CFD优化方法是可行有效的,可为离心泵的水力优化设计提供参考。     

高效低噪无过载离心泵多目标水力优化设计

为了整体提高离心泵水力设计水平,以叶频噪声声压级、扬程、效率和轴功率这4个指标作为判断标准,首次采用权矩阵方法借助数值模拟技术对离心泵叶轮进行了多目标优化设计。各指标的数值计算采用CFD/CA(computational fluid dynamics/computational acoustic,计算流体力学和计算声学)相结合的方法进行。基于L9(34)正交试验,深入研究了叶轮直径、叶片出口安放角、叶片出口宽度和进口安放角对离心泵扬程、效率、轴功率和流动噪声的影响规律,并根据权重分析获得了一组最佳几何参数组合。通过进行优化叶轮与原型叶轮的性能对比试验,发现该优化方案全部达标,设计流量下扬程提高2.5%,效率提高3.8%,轴功率下降3.3%,出口声压级降低1.2%,验证了权矩阵数值优化方法的可行性。粒子图像测速法内流场对比试验说明:优化方案无明显"射流-尾迹"流动结构的存在,其最大速度比原型泵小6.7%,低速区的面积比原型泵大,且由于减小了叶轮外径,叶轮和隔舌间的动静干涉作用也有所减弱;高效率低噪声离心泵叶轮设计的关键是选择合理的叶轮和隔舌间隙,以减弱叶轮出口的尾流脉动。该研究为实现高效、无过载、低噪声离心泵水力设计提供了参考。     

侧流道泵叶轮轴径向间隙内流动特性数值模拟与验证

为了研究侧流道泵叶轮周围间隙质量流量交换规律,该文利用数值计算方法研究了侧流道泵在最高效率工况点下叶轮间隙处的流动规律,具体分析了其脉动扬程、交换质量流量、间隙处压力脉动情况、轴向速度变化等。结果表明,每旋转一个叶轮流道(18°),扬程出现一次完整的波动周期,每个周期内扬程最大值与最小值相差0.07 m左右;间隙外缘监测点的瞬时压力值明显大于其他4个监测点,顶部监测点压力值最大,在整个周期内的平均压力值大约是最小压力监测点的2.8倍;右侧间隙靠近外缘处的流体交换最激烈,该处速度绝对值最大;流体主要是在右侧间隙外缘大约0.8~1倍间隙半径处向侧流道流入,在0.53~0.8倍间隙半径处从侧流道流出至叶轮中;净交换流曲线近似呈三角函数图像变化,交替出现减小增大反复趋势,并且净交换流的波动导致侧流道泵扬程曲线的波动。该研究可为进一步提高侧流道泵的水力性能提供理论依据。