形態(tài)/材料二元耦合仿生功能表面增效節(jié)能機(jī)理及應(yīng)用研究

【摘要】：水泵是人類應(yīng)用最廣泛的通用機(jī)械之一，與人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活息息相關(guān)，但其效率低，耗電量大等問(wèn)題仍然比較突出。傳統(tǒng)的提高水泵效率的方法有抽級(jí)改造法，改造或更換葉輪法，仿鯊魚(yú)皮riblet表皮法，葉輪流道中加陶瓷法，葉輪表面圖憎水涂料法，但都有其局限性。 研究表明，水生生物在流體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)中，皮膚彈性可根據(jù)流體載荷發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，并與皮下組織特有的非光滑結(jié)構(gòu)形成動(dòng)態(tài)耦合表面，并具有特定的減阻功能。這種通過(guò)體表與流體介質(zhì)互動(dòng)而實(shí)現(xiàn)形態(tài)/表面彈性二因素動(dòng)態(tài)耦合稱為形態(tài)/材料二元?jiǎng)討B(tài)耦合。本文受上述現(xiàn)象啟發(fā)，在仿生耦合理論的指導(dǎo)下，依據(jù)仿生學(xué)相似原理，構(gòu)建形態(tài)/材料二元?jiǎng)討B(tài)耦合仿生功能表面；該功能表面由不同屬性的雙層材料構(gòu)成，利用表面膜材料的彈性變形以及表面膜材料與基底材料表面上仿生非光滑結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)耦合，對(duì)流體介質(zhì)進(jìn)行主動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)減阻功能；并以典型流體介質(zhì)中工作的機(jī)械部件-泵為研究載體，以增效、減阻為研究目標(biāo)，采用試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法優(yōu)化二元?jiǎng)討B(tài)耦合仿生功能表面結(jié)構(gòu)參數(shù)；通過(guò)流固耦合模擬技術(shù)探索動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面增效節(jié)能機(jī)理，為獲取“低能耗、高效率”的耦合仿生功能表面設(shè)計(jì)制造理論體系奠定基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)流體機(jī)械部件在較為寬泛的工況下的減阻、增效問(wèn)題提供新方法。為此，本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究并得到以下結(jié)論： 1．完善了耦合仿生功能表面的設(shè)計(jì)與制造工藝 利用中間介質(zhì)，采用一次鑄造成型法，完成了形態(tài)因素在基底材料也就是水泵葉輪復(fù)雜流道表面上的加工工藝研究，實(shí)現(xiàn)了基底材料仿生非光滑結(jié)構(gòu)的加工。一次鑄造成型法尤其適用于復(fù)雜不規(guī)則曲面加工非光滑表面。 采用旋轉(zhuǎn)涂覆工藝方法，將聚氨酯材料涂覆于加工有非光滑結(jié)構(gòu)的基底材料上，形成具有一定彈性的形態(tài)/材料二元耦合仿生功能表面。 2．形態(tài)/材料二元耦合仿生功能表面流固耦合模擬及機(jī)理分析 以水泵為載體，以提高水泵效率為目標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)的形態(tài)/材料二元?jiǎng)討B(tài)耦合仿生功能表面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，動(dòng)態(tài)耦合仿生功能表面在水泵葉輪上的布置位置對(duì)水泵的效率影響顯著；仿生耦合水泵效率提高顯著，其效率曲線變得豐滿平順，也就是說(shuō)，即使仿生耦合水泵運(yùn)行偏離最大效率點(diǎn)，仍然可以在較高的效率范圍內(nèi)運(yùn)行；優(yōu)化后的仿生耦合水泵效率提高可達(dá)5%及以上，與單因素仿生非光滑水泵相比，仿生耦合水泵在整個(gè)流量段內(nèi)的增效節(jié)能性能穩(wěn)定、顯著。 3．形態(tài)/材料二元耦合仿生功能表面減阻機(jī)理研究 從流固耦合數(shù)值模擬的角度，進(jìn)行耦合仿生功能表面-流體介質(zhì)作用機(jī)理的初探研究。得出其增效節(jié)能機(jī)理為：流體在較低的流速下，由于聚氨酯彈性涂層的存在，在負(fù)高壓時(shí)產(chǎn)生彈性變形，吸收了部分能量，并在負(fù)高壓峰值后又釋放這部分能量，稱為緩釋效應(yīng)，這種效應(yīng)可以有效的減小能量損失，從而提高水泵效率；在流速較高，流量較大的情況下，水流強(qiáng)烈沖擊耦合葉片時(shí)，變形后的耦合水泵葉輪表面處于完全耦合狀態(tài)，其葉片表面表現(xiàn)為非光滑結(jié)構(gòu)而吸收部分葉輪流道內(nèi)部的紊流能量，對(duì)橫向和縱向的湍流猝發(fā)都有抑制，起到穩(wěn)定紊流、推遲轉(zhuǎn)捩的作用，達(dá)到增效節(jié)能的目的。 【關(guān)鍵詞】：離心式水泵 仿生耦合 鑄造工藝 流固耦合
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TB306
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目錄8-11
• 第一章 緒論11-25
• 1.1 選題背景及研究的目的和意義11-12
• 1.2 離心式泵工作原理12-13
• 1.3 水泵表面減阻方法13-15
• 1.4 仿生學(xué)及其工程研究方法15-16
• 1.5 生物體表減阻仿生研究16-22
• 1.5.1 生物體表減阻與仿生16-17
• 1.5.2 生物體表功能表面減阻特性17-18
• 1.5.3 生物體表減阻仿生研究現(xiàn)狀18-22
• 1.6 仿生耦合理論及研究成果22-24
• 1.6.1 仿生耦合理論22-23
• 1.6.2 仿生耦合研究成果23-24
• 1.7 本論文研究的主要內(nèi)容24-25
• 第二章 形態(tài)/材料二元耦合仿生功能表面設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)25-39
• 2.1 形態(tài)/材料二元耦合仿生功能表面的設(shè)計(jì)25-26
• 2.2 仿生耦合水泵26-27
• 2.3 耦合仿生功能表面形態(tài)因素的實(shí)現(xiàn)27-34
• 2.3.1 耦合仿生功能表面結(jié)構(gòu)成型原理27-29
• 2.3.2 水泵葉輪內(nèi)壁表面肋條狀結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)29-31
• 2.3.3 水泵葉輪內(nèi)壁表面凹坑狀結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)31-34
• 2.4 一次鑄造成型結(jié)果分析及優(yōu)點(diǎn)34-35
• 2.4.1 一次鑄造成型肋條狀結(jié)構(gòu)誤差分析34
• 2.4.2 一次鑄造成型相比金屬雕刻法的優(yōu)點(diǎn)34-35
• 2.5 仿生耦合水泵彈性涂層研究35-37
• 2.5.1 彈性涂層材料選擇35-36
• 2.5.2 聚氨酯材料及其優(yōu)點(diǎn)36
• 2.5.3 聚氨酯彈性涂層在水泵葉輪表面的旋轉(zhuǎn)涂覆工藝36-37
• 2.6 本章小結(jié)37-39
• 第三章 形態(tài)/材料二元耦合仿生功能表面優(yōu)化39-51
• 3.1 試驗(yàn)設(shè)備39
• 3.2 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)39-42
• 3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析42-48
• 3.3.1 數(shù)據(jù)處理方法42
• 3.3.2 正交試驗(yàn)方差分析42-44
• 3.3.3 仿生耦合水泵對(duì)水泵效率的影響44-46
• 3.3.4 仿生耦合水泵對(duì)水泵流量的影響46
• 3.3.5 仿生耦合水泵對(duì)水泵揚(yáng)程的影響46-48
• 3.4 優(yōu)化后重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果48-50
• 3.5 本章小結(jié)50-51
• 第四章 仿生耦合水泵流固耦合數(shù)值模擬及機(jī)理分析51-75
• 4.1 流固耦合的定義及分類51
• 4.2 流固耦合計(jì)算方法51-52
• 4.3 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)52-54
• 4.3.1 湍流模型52-53
• 4.3.2 控制方程53-54
• 4.3.3 數(shù)值計(jì)算方法54
• 4.4 離心泵內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬總體概況54-55
• 4.5 仿生耦合水泵流固耦合分析55-59
• 4.5.1 流固耦合仿真過(guò)程介紹55
• 4.5.2 流體和結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格55-57
• 4.5.3 邊界條件及算法選擇57-58
• 4.5.4 時(shí)間函數(shù)和時(shí)間步58-59
• 4.6 耦合葉片流固耦合結(jié)果分析59-72
• 4.6.1 單因素仿生葉片流固耦合計(jì)算結(jié)果及分析59-67
• 4.6.2 形態(tài)/材料二元耦合仿生葉片流固耦合計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)析67-72
• 4.7 形態(tài)/材料二元耦合功能表面增效節(jié)能機(jī)理72-73
• 4.8 本章小結(jié)73-75
• 第五章 全文總結(jié)75-77
• 5.1 研究結(jié)論75-76
• 5.2 進(jìn)一步工作展望76-77
• 參考文獻(xiàn)77-84
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及取得的科研成果84-86
• 導(dǎo)師及作者簡(jiǎn)介86-87
• 致謝87

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