一种适用于流体机械叶轮叶片表面的仿生减阻构型的制作方法

本发明涉及流体机械，尤其涉及一种适用于流体机械叶轮叶片表面的仿生减阻构型。

背景技术：

1、流体机械是工程生产和日常生活中常见的一类旋转机械设备，涉及将流体机械能转化为电能输出的原动机（如水轮机、风力机等），以及利用电能使流体增压并输出的工作机（如风机、泵、压缩机等）。

2、已有研究表明，鲨鱼皮表面沿流动方向排列的纹状结构有助于降低湍流带来的摩擦阻力，使得鲨鱼在水下快速游动。基于这一现象，运动学专家通过仿生技术，研究出使用超伸展的聚合物纤维材料仿造鲨鱼的皮肤，穿有鲨鱼皮泳衣的运动员在比赛中更容易创造新的记录。而目前该技术在流体机械领域的应用较为少见。此外，流体机械的工作介质设计气、液及多相混合等多种类型，应用情景和工况构成也十分复杂，极大阻碍了鲨鱼皮减阻构型的理论设计和应用方法体系的建立。本发明旨在通过理论和数值模拟相结合的方法，提供适用于流体机械叶轮叶片的一种仿鲨鱼皮减阻构型及设计方法。

技术实现思路

1、本发明针对当前产业需求，提供了一种适用于流体机械叶轮叶片表面的仿生减阻构型。参考鲨鱼皮表面的微型褶皱沟槽，设计适用于流体机械叶片表面的减阻构型。通过改变叶片边界层流动特性，降低叶片表面近壁区湍流的摩擦阻力，减少叶片表面附面层分离，从而达到提升叶轮效率并同时降低流致噪声的目的，同时有效的提高叶片的结构强度，提升流体机械的使用稳定性和寿命。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种适用于流体机械叶轮叶片表面的仿生减阻构型，所述仿生减阻构型呈体系，按一定阵列规律分布在叶轮叶片表面，其基本形状为凸起的轴对称结构，包括一大一小两个通过底边相互衔接等腰三角形，大等腰三角形的顶点朝向来流侧，大等腰三角形的三个边角均采用圆角处理，大等腰三角形的底边与小等腰三角形的两斜边间通过圆角过渡。

4、作为优选，所述仿生减阻构型呈体系选择性的分布于叶轮叶片的压力面、吸力面及叶顶端面。仿生减阻构型应沿叶片表面流线方向布置，流线及设计过程中的常数系数优化通过cfd计算确定。

5、作为优选，所述仿生减阻构型布置在叶轮叶片不同直径的特定弦长处，其分布范围为10%~95%。

6、作为优选，所述仿生减阻构型布置在叶轮叶片轮毂至轮盘之间，其分布范围介于1.1dh和0.95dt之间，其中dh为叶轮叶片的叶根直径，dt为叶轮叶片的叶顶直径。

7、作为优选，所述仿生减阻构型的几何参数，包括大等腰三角形的顶点圆角半径即导流半径 r l、大等腰三角形的底边两边角的圆角半径即随流半径 r t、大等腰三角形的底边与小等腰三角形的两斜边间过渡的圆角半径即内凹半径 r m、大等腰三角形的斜边长即导流长度 l、构型的宽度即随流宽度 d、构型高度 h，构型中线长度 l m以及迎流侧导流角θl。仿生减阻构型的几何参数需根据介质与工况特性进行设计，依托边界层理论进行初步计算，并结合数值模拟方法进行最终优化，以最大程度改善流体流经叶片表面时的近壁流动特性。

8、作为优选，所述仿生减阻构型的导流长度 l与随流宽度 d满足：,，其中 k1=(1.5~2.0  ) k2， k2粗略取值范围为3.0~6.0， δ为边界层厚度，若叶片表面为层流状态，若叶片表面为湍流状态，其中：  x为距离叶片进口边的距离；流动状态通过局部雷诺数判断：，其中： ν为介质粘度， u为局部流速， s为叶片弦长。仿生减阻构型导流长度和随流宽度均与边界层厚度呈一定比例关系，边界层厚度根据理论计算公式预估。其中可根据具体介质类型，叶片形状等特征调节常数系数。

9、作为优选，所述仿生减阻构型的高度 h满足：，其中 k3为基于材料表面粗糙度的常数系数， τ w为壁面剪切应力其中ρ为流体介质密度。仿生减阻构型的高度根据边界层中的流体剪切应力及叶片表面粗糙度进行计算。

10、作为优选，所述仿生减阻构型的导流半径 r l与其导流长度 l和构型高度 h满足：，其中 k4为常数系数；

11、仿生减阻构型的随流半径 r t满足：，取0.5≤ k5 ≤ k4；

12、仿生减阻构型的构型中线长度 l m满足：；

13、仿生减阻构型的内凹半径满足： r m＜ r t。仿生减阻构型导流半径、随流半径均与构型高度和导流长度相关，并根据系数调整以确保圆角不会过大，避免造成额外的迎流阻力。减阻构型内凹半径应小于随流半径并保证构型尾缘型线过渡光滑。

14、作为优选，所述仿生减阻构型的迎流侧导流角θl取值范围：10°~60°。

15、作为优选，所述仿生减阻构型的体系布置参数包括垂直于流线方向的横向间距δ x与沿流线方向的纵向间距δ y；构型间的横向间距δ x满足，其中 c x为特征系数， n为经验指数，构型间的纵向间距δ y与壁面剪切应力有关其中： c y为特征数， u∞为叶片表面平均速度， m为经验指数。仿生减阻构型首位间的纵向距离通过局部雷诺数及prandtl的湍流边界层理论进行计算。

16、本发明的有益效果是：（1）、与现有技术相比，本发明提出的仿生减阻构型型式避免了过度简化，完全按照鲨鱼皮表面结构进行复刻设计。构型的渐扩形状能够起到对流动的有效控制并减小冲击引起的额外流动阻力，通过规则排列的构型体系能够在减缩流道中增强近壁流动中条带结构的稳定性，减少近壁湍流上抛和下扫事件的发生，从而有效减小壁面摩擦阻力；（2）、本发明设计可根据具体介质参数计算，结合了仿鲨鱼皮纹理的微型构型与先进的流体动力学理论，不仅能优化流体流动，减少湍流和摩擦阻力，还有助于提高叶片的结构强度，提升流体机械的做功效率和使用寿命。未来，这种技术有望在更多的工业和环保领域中得到应用，特别是在追求高效、环保的现代设计中发挥重要作用。