一种基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法及具有其的叶轮

本发明涉及流体机械，特别涉及一种基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法及具有其的叶轮。

背景技术：

1、叶片泵运行过程中存在各种能量损失，且水流对叶片的冲击作用下产生的绕流阻力，易导致叶片表面发生脱流现象，产生较大的噪音并降低叶片泵效率。因此，减小叶片泵内叶轮表面阻力，降低流动噪声，提高叶片泵运行的稳定性，实现表面流动控制可节约能源。

2、为应对水中复杂的生存环境，自然界中的水生生物不断进化，其皮肤表面非光滑表面有特殊的结构，可以影响附面层内涡流结构的生成，减小流动阻力，实现流动控制。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法，能减小湍流动能损耗、抑制叶片表面发生脱流现象、降低叶片泵运行过程中的噪音。

2、根据本发明第一方面实施例的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法，在叶轮的后盖板上沿圆周方向均匀设置有多个叶片，每个所述叶片两侧的吸力面与压力面都覆盖有按规律排布可加工的仿生鱼鳞结构。

3、根据本发明第一方面实施例的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法，基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制，改变近壁区附近流体的运动学和动力学特性、控制湍流边界层、减小湍流动能损耗、抑制叶片表面发生脱流现象、降低叶片泵运行过程中的噪音。

4、在一些实施例中，所述叶片的数量为4～8个，所述叶片最薄处厚度为≥1mm。

5、在一些实施例中，每个所述叶片表面的所述仿生鱼鳞结构包括多个鱼鳞结构单元，所述鱼鳞结构单元排布与叶片轮毂侧型线平齐，所述鱼鳞结构单元排布方向与流经所述述叶片的流体方向保持一致。

6、在一些实施例中，每个所述叶片表面上的所述鱼鳞结构单元排布方式的核心结构为菱形，所述鱼鳞结构单元的中心位于菱形各顶点，且所述鱼鳞结构单元排布时共享菱形各顶点。

7、在一些实施例中，就单个菱形而言，菱形短边对角线为a，菱形长边对角线为b，b＝2.5a，前后两个相邻所述鱼鳞结构单元的中心位置与菱形中心之间的距离均为0.5a，前后两个相邻的所述鱼鳞结构单元中心距为a，左右两个相邻的所述鱼鳞结构单元中心相距为b。

8、在一些实施例中，所述鱼鳞结构单元的外轮廓包括鱼鳞前缘、鱼鳞后缘和两个鱼鳞侧缘，所述鱼鳞前缘和所述鱼鳞后缘呈前后布置，两个所述鱼鳞侧缘连接于所述鱼鳞前缘和所述鱼鳞后缘的左右两端；所述鱼鳞结构单元的中心到所述鱼鳞前缘最大距离为c，c＝5/14a，所述鱼鳞结构单元的中心到所述鱼鳞后缘最大距离为d，d＝3/7a，所述鱼鳞前缘长度为e，e＝4/7a，两个所述鱼鳞侧缘顶点距离为f，θ为鱼鳞侧缘夹角，115°≤θ≤125°。

9、在一些实施例中，所述鱼鳞结构单元为轴对称结构，其中，所述鱼鳞前缘呈直线状，两个所述鱼鳞侧缘分别与所述鱼鳞前缘的两端相连接且相对于所述鱼鳞前缘对称分布，所述鱼鳞后缘的两端分别连接两个所述鱼鳞侧缘且呈圆弧状。

10、在一些实施例中，以一个所述鱼鳞结构单元中心建立坐标系，所述鱼鳞前缘的曲线函数为：

11、f(x1)＝c；

12、所述鱼鳞侧缘的曲线函数为：

13、

14、所述鱼鳞后缘的曲线函数为：

15、

16、在一些实施例中，所述鱼鳞结构单元高度与所述叶片的厚度之比为≤1/10。

17、本发明第二方面还提出了一种叶轮。

18、根据本发明第二方面实施例的叶轮，应用了如本发明第一方面实施例所述的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法。

19、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法，其特征在于，在叶轮的后盖板上沿圆周方向均匀设置有多个叶片，每个所述叶片两侧的吸力面与压力面都覆盖有按规律排布可加工的仿生鱼鳞结构。

2.根据权利要求1所述的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法，其特征在于，所述叶片的数量为4～8个，所述叶片最薄处厚度为≥1mm。

3.根据权利要求1所述的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法，其特征在于，每个所述叶片表面的所述仿生鱼鳞结构包括多个鱼鳞结构单元，所述鱼鳞结构单元排布与叶片轮毂侧型线平齐，所述鱼鳞结构单元排布方向与流经所述述叶片的流体方向保持一致。

4.根据权利要求3所述的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法，其特征在于，每个所述叶片表面上的所述鱼鳞结构单元排布方式的核心结构为菱形，所述鱼鳞结构单元的中心位于菱形各顶点，且所述鱼鳞结构单元排布时共享菱形各顶点。

5.根据权利要求4所述的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法，其特征在于，就单个菱形而言，菱形短边对角线为a，菱形长边对角线为b，b＝2.5a，前后两个相邻所述鱼鳞结构单元的中心位置与菱形中心之间的距离均为0.5a，前后两个相邻的所述鱼鳞结构单元中心距为a，左右两个相邻的所述鱼鳞结构单元中心相距为b。

6.根据权利要求5所述的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法，其特征在于，所述鱼鳞结构单元的外轮廓包括鱼鳞前缘、鱼鳞后缘和两个鱼鳞侧缘，所述鱼鳞前缘和所述鱼鳞后缘呈前后布置，两个所述鱼鳞侧缘连接于所述鱼鳞前缘和所述鱼鳞后缘的左右两端；所述鱼鳞结构单元的中心到所述鱼鳞前缘最大距离为c，c＝5/14a，所述鱼鳞结构单元的中心到所述鱼鳞后缘最大距离为d，d＝3/7a，所述鱼鳞前缘长度为e，e＝4/7a，两个所述鱼鳞侧缘顶点距离为f，θ为鱼鳞侧缘夹角，115°≤θ≤125°。

7.根据权利要求6所述的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法，其特征在于，所述鱼鳞结构单元为轴对称结构，其中，所述鱼鳞前缘呈直线状，两个所述鱼鳞侧缘分别与所述鱼鳞前缘的两端相连接且相对于所述鱼鳞前缘对称分布，所述鱼鳞后缘的两端分别连接两个所述鱼鳞侧缘且呈圆弧状。

8.根据权利要求7所述的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法，其特征在于，以一个所述鱼鳞结构单元中心建立坐标系，所述鱼鳞前缘的曲线函数为：

9.根据权利要求8所述的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法，其特征在于，所述鱼鳞结构单元高度与所述叶片的厚度之比为≤1/10。

10.一种叶轮，其特征在于，应用了如权利要求1-9中任意一项所述的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法。

技术总结
本发明公开了一种基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法及具有其的叶轮。其中，该方法为：在叶轮的后盖板上沿圆周方向均匀设置有多个叶片，每个叶片两侧的吸力面与压力面都覆盖有按规律排布可加工的仿生鱼鳞结构。本发明基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制，改变近壁区附近流体的运动学和动力学特性、控制湍流边界层、减小湍流动能损耗、抑制叶片表面发生脱流现象、降低叶片泵运行过程中的噪音。

技术研发人员：谭磊,赵雪初,李国平,陈长盛,章艺
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21