仿海豚皮肤结构的功能表面提高离心泵效率.pdf

第32卷第7期
农业工程学报
Vol32 No.7
722016
4月
Transactions of the Chinese Socicty of Agricultural Enginccring
Apr.2016
仿海豚皮肤结构的功能表面提高离心泵效率
商延赓,金娥,可庆朋,韩亚民2,高志桦3,田丽梅※
(1.吉林大学工程仿生教育部重点实验室,长春130022:2.吉林珲春矿业集团,珲春133300
3.青岛四方作辆研究所有限公司,青岛,266031)
摘要:为了提供一种可利用仿生功能表面提高泵类产品效率的方法,该文分別以鱼皮肤及海豚皮肤表面结构为模仿
原型,设计了2种仿生功能表面,模仿霱伯皮肤结构的功能表面为模型1,仿海豚皮肤结构的功能表面为模型2,并以吉
林市奥占通泵业有限公同生产的2000J50-26离心式水泵为載体,进行了试验研究。研究结果表明,模型1可提高水泵效
率2%6~3%,模型2可提高水泵效率5%,阻模型2在仝流段范内增效效果显著。利用氢气泡流动显示试验,从流场尾
迹再附点及涡距2个方面说明了上述2种模型对流体介质的控制机制。试验结果表明,模型2相比模型1,其尾迹再附
点距离降低5mm,而尾迹涡距距离却增加3mm。说明模型2的压差阻力得到降低,此外,模型2通过降低涡生成密度
及速度的方式降低能量的耗散,其减阻效果更明显。该研究为仿生功能表面在以流体为工作介质的流体机械及在流体介
质中运行的交通工具的全面应用提供了参考。
关键词:泵;仿生;模型:流动显示;减且
doi:10.11975jis.1002-6819.2016.07.010
中图分类号:TH311
文献标志码:A
文章编号:1002-6819(2016)-07-0072-07
商延赓,金娥,可庆朋,韩亚民,高志桦,田丽梅.仿海豚皮肤结构的功能表面提高离心泵效率[].农业工程学报
2016,32(7):72-78.
Shang Yangeng, in E, Kc Qingpeng, Han Yamin, Giao /hihua, Tian I,imci. Emlicicney improvem
function surface imitating dolphin skin structure. ransactions of the Chmese Society of A ricultural En meering(Transactions
of the CSAE), 2016, 32(7): 72-78. (in Chinesc with English absiract)doi: 10.11975/1.issn1002 6819.2016.07.010
ttp:/www.tcsae.org
模型的构建2、减阻机制2的研究较为深入。仿海豚
皮肤结构的功能表面除了在航空、管道等领域外,在防
模仿自然生物解决复杂工程问题一直被认为是十分22?领域上的应用也有报道。
有效的手段?。褴鱼、海豚由于其快速何高效的游泳速
泵是常用的流体机械と一,由」其效率低、能耗大,
度一直被高度关注,这与它们的特殊皮肤构造有关の。提高泵效率一直是工程师们关注的重点,采用传统技术
研究表明,鲨鱼皮肤表面的 riblet结构,可抑制流体边界对丁水泵效率的提高效果并不显著,而模仿褴伯及海豚
层湍流的触发,从而实现减阻。上述模仿 riblet结构的表皮肤的功能表面,在流体介质中具有减阻功能,已经成
面在航空?、泳衣、管道、舰船上面都有工程应为共识,因此,模仿湓鱼皮肤及海豚皮肤结构,设计形
用的研究,尤其是在泳衣上的应用,已经帮功游泳运动状简単、尺度适中的仿生功能表面来提开水泉的效率,
员打破世界纪录。然而,仿鲨色皮表面在航宋、管道等具有重要的实际工程应用价值。
工程上的实际应用却受到了阻得。这是因为,为了追求
木文在上述研究背景ド,根据仿生学相似原理,模
最好的减阻效果, riblet的设计形状过于复,设计尺度仿鲨伯皮肤及海豚皮肤结构设计2种仿生功能表面,并
过小,现有工业化加工方式还不能满足 riblet的设计要求,对其提高水泵的效率进行试验研究;利用流动显示试验,
因此,大大限制其在上述领域上的实际应用
揭示上述2种仿生功能表面对流体机制的控制机制,以
白从(irey海豚悖论提出以来,海豚皮肤的减阻之期为上述2种功能表面在工程上的应用提供参考。
迷成为近80年来的研究热点1,尤其是对丁海豚皮肤
增效试验
收稿∏期:2015-08-08修订口期:2016-01-20
1.1仿生功能表面设计
基金项目:国家自然科学基金面上项日资助项目(51475203);吉林省科技
鲨鱼及海豚皮肤的结构示意图如图1a、1b所示,鲨
创新与科技成果转化项日(20140307030GX):长春市重大科技攻关专顶资
助项日(13KGi33
鱼皮肤表面具有尺度为微米级的鳞,呈盾状结构;海豚
作者简介:商延废,男(满族),高级工程哪,博士,主要从事仿生功能表皮肤结构是由弹性十足的光滑表皮及具有一定硬度的真
面材料设计研究。长春吉林大学工程仿生教育部重点实验室,13002。皮层结构组成,当海豚高速游动时,在其皮肤表面上体
Email:shangyangeng(e163.com
此出一种动态的脊纹。受上述动物皮肤结构的启发,设
※進信作者:山丽梅,女(汉族),副教授,博士,主要从事功能表面仿牛
设计研究。长春吉林大学工程仿生教育部重点实验室,130022
计仿生功能表面如图1c、1d所示。为简使起见,本文称
Fmail: Imtian(@jlu. edu. en
仿鲨鱼皮结构的功能表面为模型1,仿海豚皮肤结构的功