中大型轉(zhuǎn)子葉片上均勻漸變型高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種中大型轉(zhuǎn)子葉片上均勻漸變型高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，屬于工程仿生【技術(shù)領(lǐng)域】。有益之處：（1）本發(fā)明充分考慮到了中大型轉(zhuǎn)子葉片“以翼弦為特征長(zhǎng)度的雷諾數(shù)在葉片徑向方向是變化的”這一重要事實(shí)，較現(xiàn)有的以部分考慮或完全忽視該事實(shí)為基礎(chǔ)所進(jìn)行的非均勻漸變甚至溝槽等寬度、無(wú)差別化、均一型設(shè)計(jì)更加科學(xué)、合理；（2）本發(fā)明提供的均勻漸變型高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法較現(xiàn)有非均勻漸變以及抽象、簡(jiǎn)化型低逼真度仿鯊魚減阻降噪微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更能保證其更加高效的實(shí)際使用效果，有助于使轉(zhuǎn)子葉片虛擬分區(qū)內(nèi)的每一部分都能接近或最大化的模擬生物機(jī)能。
【專利說(shuō)明】中大型轉(zhuǎn)子葉片上均勻漸變型高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種中大型轉(zhuǎn)子葉片上均勻漸變型高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，更特別地說(shuō)，是指根據(jù)轉(zhuǎn)子葉片不同徑向區(qū)域線速度的不同進(jìn)行高逼真仿鯊魚盾鱗溝槽微結(jié)構(gòu)的均勻漸變化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)高效仿生減阻降噪的方法，屬于工程仿生【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]以“鯊魚皮效應(yīng)”著稱的鯊魚是生物進(jìn)化的成功典范，目前已知的“鯊魚皮效應(yīng)”耦合了減阻、降噪、脫附、防護(hù)等多種生物機(jī)能，而鯊魚表皮盾鱗的微米級(jí)溝槽結(jié)構(gòu)是促成“鯊魚皮效應(yīng)”的重要結(jié)構(gòu)要素，近年來(lái)人們已將仿鯊魚盾鱗溝槽微結(jié)構(gòu)應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、潛艇等多種大型裝備的設(shè)計(jì)，以解決某些工程實(shí)際問(wèn)題。
[0003]轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的大型化是降低使用成本的重要途徑之一。隨著轉(zhuǎn)子系統(tǒng)額定功率的增力口，作為關(guān)鍵部件的轉(zhuǎn)子葉片直徑也迅速增大，目前中大型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子葉片的長(zhǎng)度多在3m以上，其運(yùn)行時(shí)的風(fēng)阻及噪聲問(wèn)題顯得尤為嚴(yán)重。風(fēng)阻過(guò)大將降低系統(tǒng)效率，噪聲過(guò)大將引發(fā)環(huán)境污染、振動(dòng)疲勞以及裂紋失效，因而中大型轉(zhuǎn)子葉片的減阻降噪設(shè)計(jì)成為提高轉(zhuǎn)子效率及設(shè)備可靠性的重要保障和設(shè)計(jì)難點(diǎn)。減阻的同時(shí)也意味著降噪，具有減阻降噪功能的鯊魚皮為中大型轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì)提供了生物范例。例如，申請(qǐng)?zhí)枮?0/802568的美國(guó)專利公開了一種采用簡(jiǎn)化型“U”形溝槽設(shè)計(jì)以模擬鯊魚皮溝槽微結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，將上述仿鯊魚表皮微結(jié)構(gòu)均一化地粘貼或加工到葉片表面可實(shí)現(xiàn)阻力及噪聲的有效控制。
[0004]然而，現(xiàn)有的低逼真度、均一型仿鯊魚表皮微結(jié)構(gòu)對(duì)于中大型轉(zhuǎn)子型運(yùn)動(dòng)部件的減阻降噪仍存在較大的改進(jìn)空間。原因在于:研究表明，一方面溝槽截面形狀以及溝槽寬度是決定“鯊魚皮效應(yīng)”的重要結(jié)構(gòu)要素，所設(shè)計(jì)的仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)其逼真度越高，則仿生減阻降噪的實(shí)際效果越顯著；另一方面為了達(dá)到最佳減阻效率，不同的速度均對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的溝槽寬度。而對(duì)于中大型轉(zhuǎn)子葉片而言，其正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不同徑向位置區(qū)域的線速度各不相同，甚至差別較大，若簡(jiǎn)單的采用低逼真度、非均勻漸變甚至均一型仿鯊魚盾鱗溝槽微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，顯然無(wú)法在徑向不同位置區(qū)域同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的減阻降噪效果，且對(duì)于整機(jī)可靠性及壽命的提高亦較為有限。
[0005]因此，若要在中大型轉(zhuǎn)子葉片上實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠性的減阻降噪設(shè)計(jì)，進(jìn)行高逼真、均勻漸變型仿生微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，提供一種中大型轉(zhuǎn)子葉片上均勻漸變型高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。
[0007]本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
中大型轉(zhuǎn)子葉片上均勻漸變型高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟: 第一步:中大型轉(zhuǎn)子葉片虛擬分區(qū)及參數(shù)提取(A)兼顧減阻降噪必要性及后續(xù)加工經(jīng)濟(jì)性，在每個(gè)中大型轉(zhuǎn)子葉片正反兩面上虛擬地各劃設(shè)一條與其回轉(zhuǎn)軌跡相一致的分界線，將葉尖與該分界線之間的葉片區(qū)域作為實(shí)施仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的區(qū)域；
(B)從后續(xù)加工經(jīng)濟(jì)性角度將葉片正反兩面上具有微小結(jié)構(gòu)尺寸差別的對(duì)應(yīng)分區(qū)視為完全相同，進(jìn)而根據(jù)葉片翼型及設(shè)計(jì)尺寸，分別提取葉尖及經(jīng)(A)步驟劃設(shè)的虛擬分界線處葉片翼弦的弦長(zhǎng)值；
(C)根據(jù)中大型轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速及葉片尺寸，提取葉尖及經(jīng)(A)步驟劃設(shè)的虛擬分界線所處回轉(zhuǎn)半徑的數(shù)值，進(jìn)而計(jì)算葉尖及虛擬分界線處葉片翼弦的線速度；
第二步:轉(zhuǎn)子葉片虛擬分區(qū)邊界處最佳溝槽寬度流體計(jì)算
(A)根據(jù)第一步計(jì)算出的葉尖及虛擬分界線處葉片翼弦的線速度，并以第一步提取出的葉尖及虛擬分界線處葉片翼弦的弦長(zhǎng)值作為幾何特征長(zhǎng)度，按照公式I計(jì)算轉(zhuǎn)子葉片虛擬分區(qū)兩個(gè)邊界處的雷諾數(shù)兄，式中K為葉片翼弦線速度，L為葉片翼弦的幾何特征長(zhǎng)度，P為流體介質(zhì)密度，U為流體介質(zhì)動(dòng)力粘度；
Rs = PVL I μ(I)
(B)根據(jù)經(jīng)(A)步驟計(jì)算出的轉(zhuǎn)子葉片虛擬分區(qū)邊界處雷諾數(shù)兄的數(shù)值范圍，按照史里希丁公式2計(jì)算轉(zhuǎn)子葉片虛擬分區(qū)邊界處湍流邊界層的摩阻系數(shù)仏；
【權(quán)利要求】
1.中大型轉(zhuǎn)子葉片上均勻漸變型高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括: 第三步:鯊魚盾鱗溝槽微結(jié)構(gòu)生物原型提取 (A)選擇典型高游速鯊魚并裁切出一定面積的新鮮鯊魚皮，借由適當(dāng)?shù)念A(yù)處理工藝，制得鯊魚皮生物模板，進(jìn)而作為中大型轉(zhuǎn)子葉片上高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的生物原型； (B)對(duì)經(jīng)(A)步驟制得的鯊魚皮生物模板進(jìn)行高精度三維表面輪廓掃描，得到其高精度表面形貌圖像，提取鯊魚盾鱗溝槽微結(jié)構(gòu)的橫截面輪廓曲線，進(jìn)而提取溝槽寬度、鱗脊高度、鱗片傾角以及有關(guān)溝槽截面輪廓的具體數(shù)據(jù)； 其特征在于，還包括如下步驟: 第一步:中大型轉(zhuǎn)子葉片虛擬分區(qū)及參數(shù)提取 (A)兼顧減阻降噪必要性及后續(xù)加工經(jīng)濟(jì)性，在每個(gè)中大型轉(zhuǎn)子葉片正反兩面上虛擬地各劃設(shè)一條與其回轉(zhuǎn)軌跡相一致的分界線，將葉尖與該分界線之間的葉片區(qū)域作為實(shí)施仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的區(qū)域； (B)從后續(xù)加工經(jīng)濟(jì)性角度將葉片正反兩面上具有微小結(jié)構(gòu)尺寸差別的對(duì)應(yīng)分區(qū)視為完全相同，進(jìn)而根據(jù)葉片翼型及設(shè)計(jì)尺寸，分別提取葉尖及經(jīng)(A)步驟劃設(shè)的虛擬分界線處葉片翼弦的弦長(zhǎng)值； (C)根據(jù)中大型轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速及葉片尺寸，提取葉尖及經(jīng)(A)步驟劃設(shè)的虛擬分界線所處回轉(zhuǎn)半徑的數(shù)值，進(jìn)而計(jì)算葉尖及虛擬分界線處葉片翼弦的線速度； 第二步:轉(zhuǎn)子葉片虛擬分區(qū)邊界處最佳溝槽寬度流體計(jì)算 (A)根據(jù)第一步計(jì)算出的葉尖及虛擬分界線處葉片翼弦的線速度，并以第一步提取出的葉尖及虛擬分界線處葉片翼弦的弦長(zhǎng)值作為幾何特征長(zhǎng)度，按照公式I計(jì)算轉(zhuǎn)子葉片虛擬分區(qū)兩個(gè)邊界處的雷諾數(shù)兄，式中K為葉片翼弦線速度，L為葉片翼弦的幾何特征長(zhǎng)度，P為流體介質(zhì)密度，U為流體介質(zhì)動(dòng)力粘度； Re = pVL Jμ(I) (B)根據(jù)經(jīng)(A)步驟計(jì)算出的轉(zhuǎn)子葉片虛擬分區(qū)邊界處雷諾數(shù)兄的數(shù)值范圍，按照史里希丁公式2計(jì)算轉(zhuǎn)子葉片虛擬分區(qū)邊界處湍流邊界層的摩阻系數(shù)仏；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中大型轉(zhuǎn)子葉片上均勻漸變型高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述中大型轉(zhuǎn)子葉片的長(zhǎng)度范圍為3m~60m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中大型轉(zhuǎn)子葉片上均勻漸變型高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述轉(zhuǎn)子葉片虛擬分區(qū)涵蓋的范圍為沿葉尖到回轉(zhuǎn)中心方向上15%~85%的區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中大型轉(zhuǎn)子葉片上均勻漸變型高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)與生物原型相比，其逼真度為75%~95%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中大型轉(zhuǎn)子葉片上均勻漸變型高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征 在于:所述高逼真仿鯊魚溝槽微結(jié)構(gòu)的溝槽方向應(yīng)與轉(zhuǎn)子葉片的回轉(zhuǎn)方向保持一致。
【文檔編號(hào)】F04D29/26GK103953580SQ201410226639
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】韓鑫 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)