沙漠条斑钳蝎耐冲蚀特性及其仿生应用

发布时间：2017-10-29 14:02

  本文关键词：沙漠条斑钳蝎耐冲蚀特性及其仿生应用

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【摘要】：离心风机是工业生产中提供气体动力的重要设备,广泛应用于国民生产生活中的各个方面。离心风机在环境恶劣的工况下作业过程中,由于气体夹杂固体颗粒会对风机叶片造成冲蚀磨损失效,因而大大降低了风机的使用寿命,进而增加了其维护成本。自然界中许多生物为人们解决工程问题提供了参考,近年来仿生学的研究受到了国内外学者的广泛关注。本文通过仿生学的启发,寻求一种提高离心风机耐冲蚀磨损性能的新方法。 本文以沙漠条斑钳蝎为生物模本,研究了其耐冲蚀磨损特性。通过对其背部体表进行体视显微镜观察,发现其背部7个背板宽度从蝎子头部到尾部依次增大,背板的宽度范围为：2.04-3.98mm,且背板之间连接为V型槽结构。据此,建立了仿生V型槽结构模型。对蝎子背部进行组织切片观察,发现其背部表层及内层的组织硬度不同；对蝎子活体进行冲蚀试验观察,发现当蝎子受到砂粒冲击时会做出蜷缩的动作；对蝎子背部体表进行逆向工程分析,发现其背部横纵向均具有一定的曲率,据此,建立了无曲率仿生耦合模型和有曲率仿生耦合模型。 然后,本文对仿生模型的冲蚀磨损性能进行了研究。首先,利用FLUENT软件对仿生V型槽结构模型、弧型槽结构模型、方型槽结构模型及光滑型模型的冲蚀磨损性能进行仿真分析,结合试验优化设计的方法优选出了具备最优耐冲蚀磨损性能的仿生V型槽结构模型。其次,对无曲率仿生耦合试样、仿生V型槽结构试样及光滑型试样进行冲蚀磨损试验,结果表明,无曲率仿生耦合试样具备较优的耐冲蚀磨损性能。再次,对有曲率仿生耦合试样、无曲率仿生耦合试样、仿生V型槽结构试样及光滑型试样的冲蚀磨损试验进行极差分析及回归分析：极差分析结果表明影响试样冲蚀磨损性能的主次因素为：试样的纵向曲率、试样的柔性体厚度和试样的硬质层厚度。最优组合为：硬质层的厚度为2mm,柔性体厚度为5mm,试样纵向曲率为0°通过回归分析得到试样的冲蚀磨损率与试样纵向曲率、柔性体厚度及硬质层厚度的关系式为：y=1.0621z12-4.24z1+3.02z2-0.184z22+4.3623-1.17z32-6.34。 接下来,本文对仿生试样耐冲蚀磨损的机理进行了探讨。首先,从气体湍流、流速分布及冲蚀磨损区域划分的角度，对仿生V型槽结构试样较光滑型试样具备较优耐冲蚀磨损性能的机理进行了探讨。其次，对于无曲率仿生耦合模型耐冲蚀磨损性能V型槽模型耐冲蚀磨损性能有曲率仿生耦合模型耐冲蚀磨损性能光滑模型耐冲蚀磨损性能的试验结果，从基于FLUENT气体湍流及流速分布和基于LS-DYNA应力传递及能量缓释的角度进行了探讨。 最后，本文参照无曲率仿生耦合模型进行离心风机叶片的设计，对离心风机叶片及其仿生结构的冲蚀磨损状况进行了可视化研究。普通离心风机叶片压力面的冲蚀磨损部位主要集中在前缘部位，其中，压力面前缘靠近叶轮后盘的部位磨损较为严重。吸力面的冲蚀磨损部位主要集中在叶片的前缘部位，，前缘部位靠近叶轮前盘及后盘的部位均有不同程度的磨损。对于硅胶板厚度为2mm的叶片仿生结构而言，其压力面的后缘部位的仿生图案中与其吸力面后缘靠近叶轮后盘的部位均产生了冲蚀粒子沉积的现象，沉积的粒子形成了一种保护层，阻碍冲蚀粒子对于材料的冲蚀磨损作用，其压力面前缘部位及其吸力面的前缘（尤其是靠近叶轮前后盘的部位）磨损较为严重。对于硅胶板厚度为5mm的仿生结构而言，同样由于粒子沉积现象的存在，其压力面的前缘部位磨损较为严重，吸力面的磨损几乎贯穿于整个叶片，其中压力面后缘靠近叶轮后盘的部位磨损程度较轻。除此之外，本文考察了叶片仿生结构在不同硅胶板厚度及螺栓拧紧扭矩下的耐冲蚀磨损性能，并对试验结果进行了探讨。通过对试验结果进行分析后发现，硅胶板厚度为2mm，螺栓的拧紧扭矩为30N·M时，叶片仿生结构具备最优的耐冲蚀磨损性能，在达到稳态冲蚀磨损时，其失重量约为24mg。
【关键词】：沙漠条斑钳蝎 仿生 冲蚀磨损 仿真分析 离心风机
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4;TH432
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 研究的背景及意义13-14
• 1.2 生物功能表面仿生研究14-19
• 1.2.1 减阻降噪功能表面14-15
• 1.2.2 自清洁功能表面15-16
• 1.2.3 陷光功能表面16-17
• 1.2.4 耐磨功能表面17-19
• 1.3 离心风机叶片冲蚀磨损研究进展19-21
• 1.3.1 提高叶片的耐磨性19-20
• 1.3.2 改善叶片结构20
• 1.3.3 选配流场辅助装置20-21
• 1.4 本文研究内容21-23
• 第2章 沙漠条斑钳蝎耐冲蚀特性与仿生模型的建立23-37
• 2.1 生物原型的选取23-25
• 2.1.1 条斑钳蝎的地理分布23-24
• 2.1.2 条斑钳蝎的生活习性及饲养24-25
• 2.2 条斑钳蝎背部形态组织分析25-33
• 2.2.1 条斑钳蝎背部体表形态体视显微镜观察25-26
• 2.2.2 条斑钳蝎背部组织切片观察26-28
• 2.2.3 条斑钳蝎背部体表形态逆向工程分析28-33
• 2.3 条斑钳蝎活体冲蚀观察33-34
• 2.4 仿生模型的建立34-35
• 2.5 本章小结35-37
• 第3章 仿生模型冲蚀磨损性能研究37-59
• 3.1 气/固两相流求解方法37-40
• 3.1.1 控制方程与湍流模型37-39
• 3.1.2 控制方程的离散与求解39
• 3.1.3 离散相（DPM）的求解39-40
• 3.2 冲蚀模型40-41
• 3.3 仿生 V 型槽结构模型冲蚀磨损性能研究41-45
• 3.3.1 仿真正交试验设计41-42
• 3.3.2 网格划分及边界条件42-43
• 3.3.3 仿真结果及分析43-45
• 3.4 仿生耦合试样试验研究45-56
• 3.4.1 无曲率仿生耦合试样试验研究45-50
• 3.4.2 有曲率仿生耦合试样试验研究50-56
• 3.5 本章小结56-59
• 第4章 仿生试样耐冲蚀磨损机理分析59-75
• 4.1 仿生 V 型槽结构模型耐冲蚀机理59-64
• 4.1.1 基于 FLUENT 的仿真分析59-61
• 4.1.2 基于冲蚀磨损形貌的分析61-64
• 4.2 仿生耦合试样耐冲蚀机理64-72
• 4.2.1 基于 FLUENT 的气相仿真65-66
• 4.2.2 基于 LS-DYNA 的颗粒相仿真66-72
• 4.3 本章小结72-75
• 第5章 离心风机叶片仿生结构冲蚀磨损性能研究75-89
• 5.1 离心风机叶片冲蚀磨损试验方案75-77
• 5.1.1 离心风机叶片仿生结构设计75-76
• 5.1.2 离心风机叶片仿生结构的制备76-77
• 5.2 离心风机叶片仿生结构冲蚀磨损试验系统及试验条件77-79
• 5.3 冲蚀磨损试验结果与分析79-87
• 5.3.1 离心风机叶片及其仿生结构磨损可视化研究79-80
• 5.3.2 仿生结构冲蚀磨损失重量研究80-87
• 5.4 本章小结87-89
• 第6章 结论与展望89-93
• 6.1 主要结论89-92
• 6.2 展望92-93
• 参考文献93-103
• 导师及作者简介103-105
• 攻读硕士学位期间的研究成果105-107
• 致谢107

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 朱宏磊;李意民;孙更生;贾利红;;后盘中心倾角对离心式通风机磨损影响的试验研究[J];风机技术;2006年05期

2 杨树柏,陈康民,蒋旭平;旋转离心风机叶轮内两相流动的高速摄影研究[J];工程热物理学报;1999年04期

3 孙栋;朱明生;;蛛形动物中的活化石——蝎[J];大自然;2008年05期

4 ;Anisotropism of the Non-Smooth Surface of Butterfly Wing[J];Journal of Bionic Engineering;2009年01期

5 Mohammad Almagzoub Mohammad;Carlo Menon;;DEM Numerical Simulation of Abrasive Wear Characteristics of a Bioinspired Ridged Surface[J];Journal of Bionic Engineering;2010年02期

6 ;Biological couplings: Classification and characteristic rules[J];Science in China(Series E:Technological Sciences);2009年10期

7 ;Biological coupling anti-wear properties of three typical molluscan shells—Scapharca subcrenata, Rapana venosa and Acanthochiton rubrolineatus[J];Science China(Technological Sciences);2010年11期

8 汤勇;周明;韩志武;万珍平;;表面功能结构制造研究进展[J];机械工程学报;2010年23期

9 依凤鸣，王爱生;离心式通风机前置机防磨叶栅的设计[J];流体机械;1994年07期

10 马正先，李慧;离心风机叶轮叶片的磨损与防磨措施[J];流体机械;1996年05期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 黄河;基于沙漠蜥蜴生物耦合特性的仿生耐冲蚀试验研究[D];吉林大学;2012年

本文编号：1113251