叶轮叶片减阻微织构的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种叶片表面减阻微织构的设计方法，属于叶片减阻领域。根据叶轮叶片模型，建立流场域；对流场域进行数值模拟仿真，得到叶片高度方向中间截面的流线图，据此确定叶片压力面、边界层分离区域和吸力面回流区域作为微织构放置区域；在微织构放置区域紧贴叶片翼型布置微织构截面，并使其在叶片表面上沿着叶片高度方向扫掠成肋条或沟槽；对建有肋条或沟槽微织构的叶片模型采用有限元仿真优化微织构的放置位置和截面形状，获得减阻最好的微织构的放置位置和截面形状，以此构造叶片表面减阻微织构。优化的叶片表面减阻微织构减阻达到5%到10%，减少了能量消耗，节约了燃油资源，减阻微织构的设计方法可推广应用到其它领域。

Design method of drag reduction micro texture of impeller blade

The invention discloses a design method of the blade surface drag reduction micro texture, which belongs to the field of blade drag reduction. According to the impeller model, establish flow field; the convection field is simulated, the middle section of the blade height direction by streamline and determine the blade pressure surface, the boundary layer separation region and the suction surface drainage area as micro texture placement area; the area close to the airfoil section on the arrangement of micro texture and micro texture. In the leaves on the surface along the height direction of the blade sweep into a rib or groove; a rib or groove blade model of micro texture by finite element simulation and optimization of micro texture placement and cross-section shape on the building, get the best reduction of micro texture position and cross section, in order to construct the blade surface drag reduction of micro texture. The optimized drag reduction on the blade surface reduces the resistance of micro texture to 5% to 10%, reduces energy consumption and saves fuel resources, and the design method of drag reduction and micro texture can be applied to other fields.

【技术实现步骤摘要】
叶轮叶片减阻微织构的设计方法
本专利技术涉及一种叶轮叶片减阻微织构的设计方法，涉及到的叶片主要是风力叶片，来流速度在50m/s到100m/s之间，属于叶片减阻领域。
技术介绍
透平机械在航空、航天、能源、交通、化工和石油等领域具有广泛的应用。叶片是航空发动机、燃气轮机、风机等透平机械的关键零件，其气动减阻性能直接影响这类产品的工作性能。为了提高叶片的气动减阻性能，国内外专家学者对叶片的优化设计方面作了大量的研究工作，从叶片结构优化、叶片表面织构设计等方面进行了大量的探索，试图从设计源头改善透平机械的气动减阻性能。在各种减阻技术中，利用微纳制造技术制备的仿生微结构表面有突出的减阻效果，这种具有仿生微纳织构的设计可应用于航空发动机叶片等需要减阻的领域中，通过特殊的表面织构获得减阻等特殊功能和性能，提高产品的功能和性能。目前，微织构减阻技术大多应用在机翼等在流体中高速运动物体的表面上，而在发动机叶片上很少应用，这是因为目前的叶片减阻微织构的设计主要是根据研究经验在叶片整个表面布置一些规律排布的三角形沟槽或肋条，或通过在叶片表面额外附着一层具有不同微小结构的胶膜，然后通过实验筛选出具有减阻效果的一种结构。但当流场状态改变后，原有的减阻效果很可能会消失。因此这些设计方法缺乏对不同流场状态下的普适性，这不仅浪费了大量的资源和时间，而且缺乏针对性和灵活性。
技术实现思路
本专利技术目的是克服现有技术缺陷，提出一种简单可行，可根据不同叶片的实际工作环境，在叶片上设计出一种具有减阻性能的微织构的设计方法，提高了减阻微织构设计的效率和灵活性。为达到以上设计目的，本专利技术涉及到的设计步骤如下：步骤1)：根据叶轮叶片模型，建立流场域。流场域的特征为：流场域的宽度W为叶轮相邻叶片周向距离的两倍；流场域高度H为叶片高度的1～1.1倍；流场轨迹曲线1是通过拟合叶底和叶顶的两条翼型中线，求平分线，再将此平分线前后各延长2～3倍叶底弦长得到的。以上特征能够使设计的流场域的流场状态更加逼近真实的流场状态。步骤2)：对步骤1)所得的流场域进行网格划分并数值模拟叶片受到的气流阻力。步骤3)：根据步骤2)中的数值模拟结果，在叶片高度方向中间位置建立中间截面，得到此截面的流体速度流线图。据此确定在压力面，边界层分离区域和吸力面回流区域三块区域布置微织构截面。之所以在叶片高度方向中间位置取截面，是因为此处的湍流发展最为明显，据此确定的微织构减阻效果最好。设置在边界层分离区域，是因为此处的微织构会改变来流的攻角，会延缓尾端边界层的分离，有助于抑制湍流的产生，符合空气动力学理论。微织构的截面形状为三角形或四边形，且其中一条边紧贴该截面翼型上。微织构的高度h为该截面内湍流涡系在叶片法向方向上最大尺度Hmax的4％～7％，但最小高度不低于0.05mm，最大高度不超过1mm；压力面的微织构布置在叶片前缘到后缘方向上前50％的区域内，这是因为在压力面前端，来流方向与叶片夹角较小，由增加微织构带来的压差阻力小于减少的粘性阻力，因此总阻力减小；而在后端，由于叶片的扭曲，来流的方向与叶片表面夹角过大，由增加微织构带来的压差阻力大于减小的粘性阻力，因此总阻力会增加。吸力面的微织构布置在吸力面从回流开始到结束方向上前50％的范围内，这样会减小吸力面的逆压力梯度，有助于抑制湍流的扩散。边界层分离区域内只布置一个微织构。在压力面和吸力面回流区域的微织构，其中心间距l为高度h的1.5～2.5倍；微织构的迎流边和来流方向夹角θ在50度到90度之间；压力面的微织构是沟槽结构，即微织构截面嵌在翼型内，这是因为在压力面，主要以层流为主，气流会在沟槽内形成微漩涡，大大减小了粘性阻力。而边界层分离区域和吸力面的回流区域是肋条结构，微织构截面突出在翼型外。步骤4)：以步骤3)布置的微织构截面为母线，在叶片表面上沿叶片高度方向扫掠成肋条或沟槽。具体过程为：在叶片吸力面建立一投影平面，该平面平行于叶片高度方向，且平行于中间截面中叶片翼型的弦长方向。将步骤3)中创建的底边中点，即底边为微织构截面边长位于翼型内的一边。向投影平面作垂直投影。在该投影平面内作通过以上投影点的平行直线束。该平行直线束开始于叶底到叶高方向上5％的位置，结束于95％位置处。然后将该平行直线束向叶片作投影，得到投影曲线。以这些投影曲线为引导线，以微织构截面为母线，扫掠成沟槽和肋条，完成微织构的创建。步骤5)：对步骤4)中建有肋条和沟槽微织构的叶片模型重新进行数值模拟，计算模型受到的阻力，并与之前得到的阻力作比较。通过不断调整微织构的位置和截面形状，以给定的减阻比作为优化目标，最终获得具有最优减阻性能的微织构布置。经数值模拟验证，此方法设计出的微织构能够使叶片受到的气流阻力减少5％到10％，因此大大减少了能源消耗，节约了资源。附图说明图1是叶片和流场域模型图；图2是中间截面流线图；图3是微织构布置图；图4是压力面沟槽减阻机理；图5是叶片吸力面的三角形肋条微织构模型图；图中：W-流场域宽度；H-流场域高度；l-微织构截面底边中心距；h-微织构高度；Hmax-中间截面处湍流涡系沿翼型法向的最大尺度；θ-气流流向与微织构迎流面的夹角；1-流场轨迹曲线；2-翼型中线；3-通过拟合翼型中线(2)求得的平分线；4-中间截面；5-翼型压力面；6-边界层分离区域；7-翼型吸力面；8-翼型；9-图3的区域；10-翼型前缘；11-翼型后缘；12-回流；13-微织构截面；14-肋条微织构；15-投影平面；16-平行直线束；具体实施方式表1叶片证例的点坐标数据表2数值模拟模型参数名称参数入口速度(m/s)75流体理想气体温度(k)300湍流模型k-ε(2eqn)；Realizable壁面函数EnhancedWallTreatment表3微织构高度h与减阻效果的实验结果微织构高度h与Hmax比值/％减阻百分比/％3.63.1454.46.14.865.25.55.6463.16.41.16.80.57.2-1.3表4微织构中心间距l与减阻效果的实验结果表5微织构迎流边与来流方向夹角θ与减阻效果的实验结果微织构迎流边与来流方向夹角θ/°减阻百分比/％450.2651.5853.5下面以某一自由曲面叶片为例，其点数据见表1。结合附图，对本专利技术叶片减阻微织构设计方法进行阐述：1)根据叶轮叶片模型，建立流场域；如图1，流场域的宽度W为叶轮相邻叶片周向距离的两倍；流场域高度H为叶片高度的1.05倍；流场轨迹曲线1是通过拟合叶底和叶顶两条翼型中线2，求得平分线3，再将此平分线3前后各延长2倍叶底弦长得到的。以上特征能够使设计的流场域的流场状态更加逼近真实的流场状态。2)对步骤1)所得的流场域进行网格划分并数值模拟叶片受到的气流阻力。本案例采用的边界条件和湍流模型见表2，阻力计算结果为41.692N。3)根据步骤2)中的数值模拟结果，在叶片高度方向中间位置建立中间截面4，得到此截面的流体速度流线图，如图2。据此确定在压力面5，边界层分离区域6和吸力面回流区域7三块区域布置三角形微织构截面。之所以在叶片高度方向中间位置取中间截面4，是因为此处的湍流发展最为明显，据此确定的微织构减阻效果最好。设置在边界层分离区域6，是因为此处的微织构会改变来流的攻角，会延缓尾端边界层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种叶轮叶片减阻微织构的设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)：根据叶轮叶片模型，建立流场域，流场域的特征为：流场域的宽度W为叶轮相邻叶片周向距离的两倍；流场域高度H为叶片高度的1～1.1倍；流场轨迹曲线(1)是通过拟合叶底和叶顶两条翼型中线(2)，求得平分线(3)，再将此平分线(3)前后各延长2～3倍叶底弦长得到的；步骤2)：对步骤1)所得的流场域进行数值模拟，并计算叶片受到的气流阻力；步骤3)：根据步骤2)中的数值模拟结果，在叶片高度方向中间位置建立中间截面(4)，得到此截面的速度流线图，据此确定在压力面(5)，边界层分离区域(6)和吸力面回流区域(7)三块区域布置微织构截面(13)；微织构的截面形状和具体位置为：微织构的截面形状为三角形或四边形，且其中一条边紧贴该截面翼型(8)上；微织构的高度h为该截面内湍流涡系在叶片法向方向上最大尺度Hmax的4％～7％，但最小高度不低于0.05mm，最大高度不超过1mm；压力面的微织构布置在叶片前缘(10)到后缘(11)方向上前50％的区域内；吸力面的微织构布置在吸力面从回流开始到结束方向上前50％的范围内；边界层分离区域(6)内只布置一个微织构；在压力面和吸力面回流区域的微织构，其中心间距l为高度h的1.5～2.5倍；微织构的迎流边和来流方向夹角θ在50度到90度之间；压力面的微织构是沟槽结构，即微织构截面嵌在翼型(8)内，而边界层分离区域和吸力面的回流区域是肋条结构，即微织构截面突出在翼型(8)外；步骤4)：以步骤3)布置的微织构截面(13)为母线，在叶片表面上沿叶片高度方向扫掠成肋条(14)或沟槽，具体过程为：在叶片吸力面建立一投影平面(15)，该平面平行于叶片高度方向，且平行于中间截面(4)中叶片翼型的弦长方向；将步骤3)中创建的底边中点，底边为微织构截面边长位于翼型内的一边；向投影平面(15)作垂直投影；在该投影平面(15)内作通过以上投影点的平行直线束(16)，该平行直线束开始于叶底到叶高方向上5％的位置，结束于95％位置处，然后将该平行直线束向叶片作投影，得到投影曲线，以这些投影曲线为引导线，以微织构截面(13)为母线，扫掠成沟槽和肋条(14)，完成微织构的创建；步骤5)：对步骤4)中建有肋条和沟槽微织构的叶片模型重新进行数值模拟，计算模型受到的阻力，并与之前得到的阻力作比较；通过不断调整微织构的位置和截面形状，以给定的减阻比作为优化目标，最终获得具有最优减阻性能的微织构布置。...

【技术特征摘要】
1.一种叶轮叶片减阻微织构的设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)：根据叶轮叶片模型，建立流场域，流场域的特征为：流场域的宽度W为叶轮相邻叶片周向距离的两倍；流场域高度H为叶片高度的1～1.1倍；流场轨迹曲线(1)是通过拟合叶底和叶顶两条翼型中线(2)，求得平分线(3)，再将此平分线(3)前后各延长2～3倍叶底弦长得到的；步骤2)：对步骤1)所得的流场域进行数值模拟，并计算叶片受到的气流阻力；步骤3)：根据步骤2)中的数值模拟结果，在叶片高度方向中间位置建立中间截面(4)，得到此截面的速度流线图，据此确定在压力面(5)，边界层分离区域(6)和吸力面回流区域(7)三块区域布置微织构截面(13)；微织构的截面形状和具体位置为：微织构的截面形状为三角形或四边形，且其中一条边紧贴该截面翼型(8)上；微织构的高度h为该截面内湍流涡系在叶片法向方向上最大尺度Hmax的4％～7％，但最小高度不低于0.05mm，最大高度不超过1mm；压力面的微织构布置在叶片前缘(10)到后缘(11)方向上前50％的区域内；吸力面的微织构布置在吸力面从回流开始到结束方向上前50％的范围内；边界层分离区域(6)内只布置一个微织构；在压力面和吸力面回流区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：张臣，魏盼，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32