液力变矩器叶片仿生非光滑表面减阻研究

发布时间：2017-04-17 18:07

  本文关键词：液力变矩器叶片仿生非光滑表面减阻研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：液力变矩器是用于传递动力的装置,工作在变速器与发动机之间,具有载荷自适应性与保证车辆具有低速稳定性等优点,在工程机械与汽车等众多行业中得到了广泛的应用。液力变矩器最为人诟病的是效率较低,在应用中不断面临着挑战,早期船用上被齿轮取代、在干线机车上被电传动所取代,目前在轿车自动变速中受到CVT、DCT挑战,在工程机械中受到静液传动威胁,因此提高其效率意义重大。当液流流过液力变矩器叶栅时,流体的黏性作用会在叶片表面产生边界层。边界层内存在着湍流猝发的过程,大量的能耗在这一过程中耗散。此外,边界层内还伴随着流动分离与二次流等现象,同样导致流动损失,从而影响变矩器的性能及降低效率。因此,控制边界层内流动,抑制湍流猝发,能够减少流体在变矩器内部尤其是边界层内的流动阻力和能量损失,有效的提高变矩器效率、降低能耗。本文以液力变矩器的流线型叶片代表进行了仿生非光滑表面控制边界层流动实现减阻增效的研究。主要的工作总结如下:1.液力变矩器内流动瞬态流动计算首先利用实验验证了采用的液力变矩器CFD内流动瞬态流动计算方法的有效性,采用同样的CFD模拟方法进行减阻效果评价和机理分析。运用LES中的DSL(Dynamic Smagorinsky-Lilly)亚格子模型,设置无滑移边界条件,采用结构化网格并设置合适的控制参数等。以YJ315型液力变矩器为研究对象,将仿真数据与实验数据进行比较,扭矩比的最大误差为1.45%,效率的最大变化误差为4.5%,容量系数的最大变化误差为13.86%,启动转矩与效率的最大误差均小于5%,计算准确度很高,证明了数值模拟方法的有效性与正确性。2.叶片仿生非光滑设计与非线性优化依据YJ315型液力变矩器导轮叶片不同表面的流动状态,在其表面设计仿生沟槽与乳突的仿生结构。选取减阻效果较好的鲨鱼、鹰、海豹及贝壳体表微结构作为生物原型,在叶片吸力面上分别设计四种不同形状的仿生沟槽。在叶片的压力面上,设计仿生玫瑰乳突结构,形成疏水表面。对具有沟槽仿生叶片的流场进行了数值模拟,结果显示L型沟槽(海豹体表微结构)的减阻效果最佳,减阻率为9.85%。再利用ISIGHT对L型仿生沟槽结构参数进行非线性优化,以叶片减阻率为目标函数,选定设计变量与约束条件,利用拉丁超立方方法获得样本点及检测样本点,选择多岛遗传算法进行优化设计。优化后的仿生叶片的减阻性能大幅提升,减阻率达到11.498%,这在仿生机械设计领域内是处于一种比较高的水平,减阻效果比较理想。3.仿生叶片的制备及减阻实验通过实验手段对仿生叶片进行减阻性能的测试,并与仿真数据对比,以验证仿生设计的正确性。采用数控精雕机加工L型沟槽,利用化学方法制备乳突疏水表面。确定减阻性能测试的实验方案,搭建流体机械固定元件减阻性能测试实验台,对文中设计的仿生叶片进行减阻性能的测试,结果表明:仿生叶片确实具有减阻特性,验证了仿生叶片减阻仿生设计与非线性优化的有效性。4.仿生叶片的减阻机理分析仿生结构能够减小叶片的壁面剪切力与涡量大小,降低叶片流场中的能量损耗。文中对横向沟槽减阻起效区进行定义并分析,发现并提出沟槽内生成的轮胎涡是实现减阻的重要涡结构,其减阻机理为:流体经过叶片表面时产生大量旋涡,旋涡与沟槽相互作用产生二次涡,即轮胎涡,轮胎涡的强化与发展削弱了湍流边界层的动量交换过程,稳定流场并降低能量损失。通过改变沟槽的h+、s+,减阻效果得到进一步的改善,减阻率达到13.2%,证明了文中分析的正确性。叶片压力面的仿生玫瑰乳突结构实现了叶片出口流量的增大,具有一定的疏水效果。利用SEM方法对叶片疏水表面进行扫面观察,疏水表面具有双层微细结构,其内部空气减小了流体与金属表面的接触面积,减小了流体流经叶片表面的黏附性,从而实现较好的减阻效果。
【关键词】：液力变矩器 仿生叶片 微型沟槽 乳突 边界层
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH137.332
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 选题背景及研究的目的和意义12-14
• 1.2 仿生减阻技术的研究现状14-19
• 1.2.1 仿生沟槽减阻研究现状15-17
• 1.2.2 疏水表面减阻研究现状17-19
• 1.3 基于CFD液力变矩器设计与优化研究现状19-21
• 1.4 本文主要研究内容21-24
• 第2章 液力变矩器内流动瞬态流动计算24-36
• 2.1 大涡模拟控制方程24-27
• 2.1.1 基本控制方程24-25
• 2.1.2 Smagorinsky-Lilly模型25-26
• 2.1.3 动态Smagorinsky-Lilly模型26-27
• 2.2 液力变矩器湍流LES数值模拟27-34
• 2.2.1 边界条件28-29
• 2.2.2 划分计算网格29-30
• 2.2.3 湍流算法和参数30-31
• 2.2.4 求解离散方程及收敛性31-32
• 2.2.5 结果与分析32-34
• 2.3 本章小结34-36
• 第3章 液力变矩器仿生非光滑叶片设计与制造36-60
• 3.1 仿生结构原型36-39
• 3.1.1 动物非光滑表面36-38
• 3.1.2 植物非光滑表面38-39
• 3.2 叶片吸力面仿生沟槽设计39-55
• 3.2.1 仿生非光滑单元体形态的确定39-40
• 3.2.2 仿生非光滑单元体尺寸的确定40-41
• 3.2.3 仿生叶片数值模拟41-46
• 3.2.4 基于ISIGHT的仿生沟槽非线性优化46-55
• 3.3 叶片压力面乳突疏水表面设计55-56
• 3.4 仿生非光滑叶片制造56-59
• 3.4.1 加工设备56-57
• 3.4.2 微沟槽加工参数设置57-58
• 3.4.3 疏水表面加工参数设置58-59
• 3.5 本章小结59-60
• 第4章 液力变矩器仿生叶片减阻实验60-68
• 4.1 减阻实验原理与搭建60-63
• 4.1.1 减阻测试实验平台60-62
• 4.1.2 减阻实验流程及数据修正62-63
• 4.2 仿生叶片实验结果及分析63-66
• 4.3 本章小结66-68
• 第5章 液力变矩器仿生叶片的减阻机理分析68-80
• 5.1 仿生沟槽对流场状态的影响与分析68-72
• 5.1.1 对流场中流体速度的影响68-69
• 5.1.2 对流场中叶片壁面受力的影响69-71
• 5.1.3 对叶片流动区域内能量的影响71-72
• 5.2 仿生非光滑表面的减阻机理72-75
• 5.2.1 沟槽“轮胎涡”减阻机理72-74
• 5.2.2 基于减阻机理的沟槽优化74-75
• 5.3 仿生乳突减阻机理75-78
• 5.3.1 疏水表面微观形貌75-76
• 5.3.2 疏水表面的性能分析76-78
• 5.4 本章小结78-80
• 第6章 总结与展望80-84
• 6.1 主要研究工作和结论80-81
• 6.2 展望81-84
• 参考文献84-92
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果92-94
• 致谢94

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  本文关键词：液力变矩器叶片仿生非光滑表面减阻研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：314009