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

技术领域

本发明涉及流体机械技术领域，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

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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，

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。

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：

f(x

所述鱼鳞侧缘的曲线函数为：

所述鱼鳞后缘的曲线函数为：

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。

本发明第二方面还提出了一种叶轮。

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。

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。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的叶轮示意图；

图2是本发明一个实施例的叶轮局部放大示意图；

图3是本发明一个实施例的鱼鳞结构单元排布方式平面示意图；

图4是本发明一个实施例的鱼鳞结构单元的坐标示意图。

附图标记

后盖板1；叶片2；吸力面201；压力面202；仿生鱼鳞结构203鱼鳞结构单元2031；鱼鳞前缘20311；鱼鳞后缘20312；鱼鳞侧缘20313；微沟槽2032；叶片轮毂侧型线204。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图4来描述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。

如图1至图4所示，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1上沿圆周方向均匀设置有多个叶片2，每个叶片2两侧的吸力面201与压力面202都覆盖有按规律排布可加工的仿生鱼鳞结构203。其中，这里的仿生鱼鳞结构203包括鱼鳞结构单元2031和位于相邻的鱼鳞结构单元2031之间的沟槽2032。

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203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2表面发生脱流现象、降低叶片泵运行过程中的噪音。

在一些实施例中，叶片2的数量为4～8个，叶片2最薄处厚度为≥1mm。具体的，叶片的数量和厚度可以基于离心泵叶轮参数设置。

在一些实施例中，每个叶片2表面的仿生鱼鳞结构203包括多个鱼鳞结构单元2031，鱼鳞结构单元2031排布与叶片轮毂侧型线204平齐，鱼鳞结构单元2031排布方向与流经述叶片2的流体方向保持一致。这样，基于表面仿生鱼鳞结构203的流动控制，可以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2表面发生脱流现象、降低叶片泵运行过程中的噪音。

在一些实施例中，如图3所示，每个叶片2表面上的鱼鳞结构单元2031排布方式的核心结构为菱形，鱼鳞结构单元2031的中心位于菱形各顶点，且鱼鳞结构单元2031排布时共享菱形各顶点。也就是说，每前后左右相邻的四个鱼鳞结构单元2031的中心的连线构成一个菱形，每前后左右相邻的四个鱼鳞结构单元2031的中心为该菱形的四个顶点。可以理解的是，每个叶片2表面上的鱼鳞结构单元2031排布方式可以基于仿生的鲤鱼鱼鳞结构紧密排布方式，可以有效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2表面发生脱流现象、降低叶片泵运行过程中的噪音。

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，菱形中心为O，前后两个相邻鱼鳞结构单元2031的中心位置O’与菱形中心O之间的距离均为0.5a，前后两个相邻的鱼鳞结构单元2031中心距为a，左右两个相邻的鱼鳞结构单元2031中心相距为b。可以理解的是，参考鱼鳞鳞片实际测算数据，可以有效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2表面发生脱流现象、降低叶片泵运行过程中的噪音。

在一些实施例中，如图3和图4所示，鱼鳞结构单元2031的外轮廓包括鱼鳞前缘20311、鱼鳞后缘20312和两个鱼鳞侧缘20313，鱼鳞前缘20311和鱼鳞后缘20312呈前后布置，两个鱼鳞侧缘20313连接于鱼鳞前缘20311和鱼鳞后缘20312的左右两端；鱼鳞结构单元2031的中心到鱼鳞前缘20311最大距离为c，c＝5/14a，鱼鳞结构单元2031的中心到鱼鳞后缘20312最大距离为d，d＝3/7a，鱼鳞前缘20311长度为e，e＝4/7a，两个鱼鳞侧缘20313顶点距离为f，

在一些实施例中，鱼鳞结构单元2031为轴对称结构，其中，鱼鳞前缘20311呈直线状，两个鱼鳞侧缘20313分别与鱼鳞前缘20311的两端相连接且相对于鱼鳞前缘20311对称分布，鱼鳞后缘20312的两端分别连接两个鱼鳞侧缘20313且呈圆弧状。可以理解的是，基于鱼鳞轮廓形状仿生，以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2表面发生脱流现象、降低叶片泵运行过程中的噪音

在一些实施例中，如图4所示，以一个鱼鳞结构单元2031中心建立坐标系，鱼鳞前缘20311的曲线函数为：

f(x

鱼鳞侧缘20313的曲线函数为：

鱼鳞后缘20312的曲线函数为：

在一些实施例中，基于叶轮叶片强度考虑、表面加工技术难易程度，鱼鳞单元结构加工不易过深，鱼鳞结构单元2031高度与叶片2的厚度之比为≤1/10。

本发明第二方面还提出了一种叶轮。

根据本发明第二方面实施例的叶轮，应用了根据本发明第一方面任意一个实施例的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法。

由于本发明第二方面实施例的叶轮采用了本发明第一方面任意一个实施例的基于表面仿生鱼鳞结构的流动控制方法，因此，该叶轮也具有如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相同的技术效果，在此不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。