形态/材料二元耦合仿生功能表面增效节能机理及应用研究

【摘要】：水泵是人类应用最广泛的通用机械之一，与人类工农业生产及日常生活息息相关，但其效率低，耗电量大等问题仍然比较突出。传统的提高水泵效率的方法有抽级改造法，改造或更换叶轮法，仿鲨鱼皮riblet表皮法，叶轮流道中加陶瓷法，叶轮表面图憎水涂料法，但都有其局限性。 研究表明，水生生物在流体介质运动中，皮肤弹性可根据流体载荷发生动态变化，并与皮下组织特有的非光滑结构形成动态耦合表面，并具有特定的减阻功能。这种通过体表与流体介质互动而实现形态/表面弹性二因素动态耦合称为形态/材料二元动态耦合。本文受上述现象启发，在仿生耦合理论的指导下，依据仿生学相似原理，构建形态/材料二元动态耦合仿生功能表面；该功能表面由不同属性的双层材料构成，利用表面膜材料的弹性变形以及表面膜材料与基底材料表面上仿生非光滑结构的动态耦合，对流体介质进行主动控制，从而实现减阻功能；并以典型流体介质中工作的机械部件-泵为研究载体，以增效、减阻为研究目标，采用试验优化设计方法优化二元动态耦合仿生功能表面结构参数；通过流固耦合模拟技术探索动态耦合仿生功能表面增效节能机理，为获取“低能耗、高效率”的耦合仿生功能表面设计制造理论体系奠定基础，为实现流体机械部件在较为宽泛的工况下的减阻、增效问题提供新方法。为此，本文主要从以下几个方面进行了研究并得到以下结论： 1．完善了耦合仿生功能表面的设计与制造工艺 利用中间介质，采用一次铸造成型法，完成了形态因素在基底材料也就是水泵叶轮复杂流道表面上的加工工艺研究，实现了基底材料仿生非光滑结构的加工。一次铸造成型法尤其适用于复杂不规则曲面加工非光滑表面。 采用旋转涂覆工艺方法，将聚氨酯材料涂覆于加工有非光滑结构的基底材料上，形成具有一定弹性的形态/材料二元耦合仿生功能表面。 2．形态/材料二元耦合仿生功能表面流固耦合模拟及机理分析 以水泵为载体，以提高水泵效率为目标，对设计的形态/材料二元动态耦合仿生功能表面进行了优化设计试验。试验表明，动态耦合仿生功能表面在水泵叶轮上的布置位置对水泵的效率影响显著；仿生耦合水泵效率提高显著，其效率曲线变得丰满平顺，也就是说，即使仿生耦合水泵运行偏离最大效率点，仍然可以在较高的效率范围内运行；优化后的仿生耦合水泵效率提高可达5%及以上，与单因素仿生非光滑水泵相比，仿生耦合水泵在整个流量段内的增效节能性能稳定、显著。 3．形态/材料二元耦合仿生功能表面减阻机理研究 从流固耦合数值模拟的角度，进行耦合仿生功能表面-流体介质作用机理的初探研究。得出其增效节能机理为：流体在较低的流速下，由于聚氨酯弹性涂层的存在，在负高压时产生弹性变形，吸收了部分能量，并在负高压峰值后又释放这部分能量，称为缓释效应，这种效应可以有效的减小能量损失，从而提高水泵效率；在流速较高，流量较大的情况下，水流强烈冲击耦合叶片时，变形后的耦合水泵叶轮表面处于完全耦合状态，其叶片表面表现为非光滑结构而吸收部分叶轮流道内部的紊流能量，对横向和纵向的湍流猝发都有抑制，起到稳定紊流、推迟转捩的作用，达到增效节能的目的。 【关键词】：离心式水泵 仿生耦合 铸造工艺 流固耦合
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TB306
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 选题背景及研究的目的和意义11-12
• 1.2 离心式泵工作原理12-13
• 1.3 水泵表面减阻方法13-15
• 1.4 仿生学及其工程研究方法15-16
• 1.5 生物体表减阻仿生研究16-22
• 1.5.1 生物体表减阻与仿生16-17
• 1.5.2 生物体表功能表面减阻特性17-18
• 1.5.3 生物体表减阻仿生研究现状18-22
• 1.6 仿生耦合理论及研究成果22-24
• 1.6.1 仿生耦合理论22-23
• 1.6.2 仿生耦合研究成果23-24
• 1.7 本论文研究的主要内容24-25
• 第二章 形态/材料二元耦合仿生功能表面设计及实现25-39
• 2.1 形态/材料二元耦合仿生功能表面的设计25-26
• 2.2 仿生耦合水泵26-27
• 2.3 耦合仿生功能表面形态因素的实现27-34
• 2.3.1 耦合仿生功能表面结构成型原理27-29
• 2.3.2 水泵叶轮内壁表面肋条状结构的实现29-31
• 2.3.3 水泵叶轮内壁表面凹坑状结构的实现31-34
• 2.4 一次铸造成型结果分析及优点34-35
• 2.4.1 一次铸造成型肋条状结构误差分析34
• 2.4.2 一次铸造成型相比金属雕刻法的优点34-35
• 2.5 仿生耦合水泵弹性涂层研究35-37
• 2.5.1 弹性涂层材料选择35-36
• 2.5.2 聚氨酯材料及其优点36
• 2.5.3 聚氨酯弹性涂层在水泵叶轮表面的旋转涂覆工艺36-37
• 2.6 本章小结37-39
• 第三章 形态/材料二元耦合仿生功能表面优化39-51
• 3.1 试验设备39
• 3.2 试验方法设计39-42
• 3.3 试验结果与分析42-48
• 3.3.1 数据处理方法42
• 3.3.2 正交试验方差分析42-44
• 3.3.3 仿生耦合水泵对水泵效率的影响44-46
• 3.3.4 仿生耦合水泵对水泵流量的影响46
• 3.3.5 仿生耦合水泵对水泵扬程的影响46-48
• 3.4 优化后重复性试验结果48-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第四章 仿生耦合水泵流固耦合数值模拟及机理分析51-75
• 4.1 流固耦合的定义及分类51
• 4.2 流固耦合计算方法51-52
• 4.3 数值模拟理论基础52-54
• 4.3.1 湍流模型52-53
• 4.3.2 控制方程53-54
• 4.3.3 数值计算方法54
• 4.4 离心泵内部流动数值模拟总体概况54-55
• 4.5 仿生耦合水泵流固耦合分析55-59
• 4.5.1 流固耦合仿真过程介绍55
• 4.5.2 流体和结构模型的网格55-57
• 4.5.3 边界条件及算法选择57-58
• 4.5.4 时间函数和时间步58-59
• 4.6 耦合叶片流固耦合结果分析59-72
• 4.6.1 单因素仿生叶片流固耦合计算结果及分析59-67
• 4.6.2 形态/材料二元耦合仿生叶片流固耦合计算结果简析67-72
• 4.7 形态/材料二元耦合功能表面增效节能机理72-73
• 4.8 本章小结73-75
• 第五章 全文总结75-77
• 5.1 研究结论75-76
• 5.2 进一步工作展望76-77
• 参考文献77-84
• 攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果84-86
• 导师及作者简介86-87
• 致谢87

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