具备多种生物特征的液力变矩器减阻增效研究

发布时间：2017-03-19 13:06

  本文关键词：具备多种生物特征的液力变矩器减阻增效研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前,仿生耦合技术作为一门新兴的交叉学科,与实验流体力学及计算流体动力学等手段相结合,已经在流体机械的设计、优化和研发等领域中发挥着重要的推动作用。而由于粘性工作介质与流体机械间的摩擦损失、冲击损失、流动损失等原因,使得液力变矩器效率相对较低。在这样的背景下,本文拟运用多种生物特征进行仿生设计,改善流动状态的思路来实现液力变矩器的减阻增效。本文将以工程机械中广泛采用的双涡轮液力变矩器为研究对象,从仿生非光滑表面、海豚形体仿生叶片、鱼类形态仿生叶片三个方面开展研究,具体的研究工作及结论如下： (1)在液力变矩器数值模拟中,以近壁面受力、流场瞬态特征、预测精度,三个方面,比较三种湍流模型的优劣,证明了分离涡模型是一种有效的探索流体机械内部复杂流动机理的工具。而后,针对液力变矩器湍流的边界层结构,对非光滑单元体的尺寸及排列方式进行了设计；依照边界层的网格划分要求,分别对原模型和具有仿生非光滑表面的模型进行了网格划分,在同一网格数量级上,对两种流道模型分别进行Computational Fluid Dynamics (CFD)数值模拟,结果表明：仿生非光滑表面能够显著的降低非光滑表面区域的壁面剪应力、湍流粘性值、涡量及速度大小,能够提升现有液力变矩器的效率1到2个百分点。 (2)采用海豚形叶型来代替双涡轮液力变矩器中的二维叶片,结果表明：应用海豚型仿生叶片后,过流截面积将更加平缓,曲面曲率更加平滑,同时横向压力梯度减小,二次流强度减弱,叶片前缘对液流阻滞的作用减少,流动状况明显得以改善,能够提升现有液力变矩器效率1到2个百分点。 (3)选取鲅鱼、青鱼、小虎鲨鱼、清道夫鱼、鲤鱼、黄花鱼作为扫描测量的对象,通过逆向工程处理,提取鱼体表面的三维数据参数和它的一些细部特征,建立了起相应的中间流线、厚度的数学模型。针对液力变矩器各叶片的结构特点,分别提出相应的基于鱼类体型新的环量分配方案,同时建立起叶片的厚度函数表达式,通过编写的MATLAB计算程序,在不改变内外环形状、进出口处形状和位置、叶片进出角度等参数的情况下,生成液力变矩器叶片的三维实体模型,以数值模拟的方法,总结出各仿生叶片的性能特征。将鲅鱼仿生第二涡轮叶片,鲨鱼仿生导轮叶片,清道夫鱼仿生第一涡轮叶片,鲤鱼仿生泵轮叶片组成一组仿生叶片进行计算,结果表明最高效率可提升1到2个百分点,借助Rothalpy评价液力损失后可知仿生叶片的减阻机理。将海豚形仿生因素融入后,导轮前缘液力损失将会降低47%,其他区域液力损失降低23%。在此基础上,进一步融入仿生非光滑表面后,计算结果表明了具备多生物特征的液力变矩器能够有效的提升现有液力变矩器3到4个百分点。
【关键词】：液力变矩器 仿生 非光滑表面 海豚 鱼
【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】：TH137.332
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 研究的背景和意义11-12
• 1.2 仿生技术概述及在流体机械中应用12-17
• 1.2.1 生物特性的减阻机理及论文构想12-14
• 1.2.2 仿生技术在流体力学领域的应用14-17
• 1.3 液力变矩器叶栅系统的研究现状17-18
• 1.4 本文的主要研究内容18-21
• 第2章 液力变矩器仿生非光滑表面模型设计与数值模拟21-45
• 2.1 湍流模型RANS、DES与LES数值模拟对比研究21-31
• 2.1.1 基本控制方程21-22
• 2.1.2 湍流模型的选择22-24
• 2.1.3 网格独立性测试与数值模拟方法24-26
• 2.1.4 结果与分析26-31
• 2.2 液力变矩器仿生非光滑表面模型设计31-36
• 2.2.1 湍流边界层的分层及其速度分布31-33
• 2.2.2 非光滑单元体尺寸与排列方式33-36
• 2.3 液力变矩器仿生非光滑表面数值模拟36-39
• 2.3.1 计算域网格划分36-37
• 2.3.2 边界层网格划分要求37-39
• 2.4 计算结果和讨论39-43
• 2.4.1 壁面剪应力与液力损失39-42
• 2.4.2 性能比较42-43
• 2.5 本章小结43-45
• 第3章 海豚型仿生叶片设计及流动机理分析45-53
• 3.1 海豚型叶片特征45-47
• 3.2 数值计算方法47-48
• 3.3 结果与分析48-51
• 3.3.1 压力-速度矢量48-50
• 3.3.2 液力损失分析与性能比较50-51
• 3.4 本章小结51-53
• 第4章 基于鱼的形态及厚度分布的叶片环量分配法研究53-79
• 4.1 逆向工程数据采集与分析54-57
• 4.1.1 测量方法54-55
• 4.1.2 逆向处理流程55-57
• 4.2 结果与分析57-67
• 4.2.1 青鱼的测量结果57-59
• 4.2.2 鲅鱼的测量结果59-62
• 4.2.3 清道夫鱼测量结果62-63
• 4.2.4 虎鲨鱼测量结果63-65
• 4.2.5 黄花鱼测量结果65-66
• 4.2.6 鲤鱼测量结果66-67
• 4.3 液力变矩器叶片设计环量不等分配法67-70
• 4.4 仿生叶片设计与性能分析70-78
• 4.4.1 仿生涡轮叶片设计与性能分析70-72
• 4.4.2 仿生导轮及第一涡轮叶片设计与性能分析72-75
• 4.4.3 仿生泵轮叶片设计与性能分析75-78
• 4.5 本章小结78-79
• 第5章 具备多生物特征的液力变矩器性能分析79-85
• 5.1 仿生叶片组性能预测79-80
• 5.2 仿生叶片组液力损失分析80
• 5.3 融入海豚形体后的液力损失分析与性能预测80-82
• 5.4 三种仿生因素融合后的性能预测82-83
• 5.5 本章小结83-85
• 第6章 总结与展望85-87
• 6.1 总结85-86
• 6.2 展望86-87
• 参考文献87-93
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果93-95
• 致谢95

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

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本文编号：256082