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仿生耦合技术在流体机械领域的应用

发布日期:2016-06-18

仿生学是国内新兴的边缘学科。本文综述了仿生耦合技术在流体机械领域的应用现状,指出实验流体力学及计算流体动力学相结合,是仿生耦合技术在流体机械领域研发的发展趋势。[关键词] 仿生学;耦合技术;流体机械;减阻;降噪;应用

生物在“优胜劣汰,物竞天择”的过程中,经过亿万年漫长的进化,形成了与自身生存环境相适应的体表结构和特殊功能。仿生学是近年来新兴的一门将生物学、数学和工程技术学相结合的边缘科学,其任务是研究生物系统的优异能力及其进化原理,将其模式化后应用到设计和制造新的技术设备之中。随着仿生学的不断发展,越来越多的学者们将仿生学原理运用到流体机械领域,或将仿生非光滑表面技术应用于叶片和叶轮的减阻降噪,或将动物的特殊运动方式应用于新型蠕动泵的开发,或将植物的某些特殊功能应用于新型驱动泵的研制,从而大幅提升了流体机械的性能。

吉林大学任露泉等[3]基于“在空气介质中高速运动的非光滑表面形态的叶片和光滑表面形态的叶片相比,能够降低运动产生的噪音”的仿生学原理,将风机叶片表面制成具有凸、凹单元体的非光滑表面。凸、凹单元体的高度H为5×10-4~2.5mm,相对叶片表面的投影面积为0.785×10-4~5×102mm2,凸、凹单元体的分布密度为其在叶片表面上的投影面积之和与基体表面积之比为5%~60%。和光滑的表面相比,施加非光滑表面形态的叶片可以使风机运动噪声降低0.3~2.1分贝。此技术适用于某些体积较小的以及其他降噪技术难以实现的场合。

此外,任露泉等[4]从水泵叶轮与流体介质之间的相互作用力学与运动学关系出发,采用仿生非光滑表面减阻原理,提出了离心式仿生耦合泵的设想:在不改变原设计模型的基础上,其叶轮采用仿生耦合叶轮与普通泵壳组合、仿生耦合泵壳与普通叶轮组合或仿生耦合叶轮与仿生耦合泵壳组合。仿生耦合叶轮或泵壳内的导流叶片上设有肋条状或凹坑形的仿生非光滑结构,并在其表面上喷涂有一定厚度的PTU材料、聚氨酯材料或树脂材料耦合而成。肋条状横断面为边长0.5~1.3 mm的正三角形,凹坑半径为0.5~1.3 mm,肋条或凹坑间距为0.5~3.9 mm。离心式仿生耦合泵可降低汽蚀的发生几率,改善泵的性能,离心泵的效率可提高2%,扬程的提高幅度可超过10%。

(完)

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