基于魚體結(jié)構(gòu)的仿生型液力變矩器葉片環(huán)量分配規(guī)律

劉春寶，劉長鎖，馬文星，楊化龍

(1.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林，長春 130022；2.吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林，長春 130022)

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基于魚體結(jié)構(gòu)的仿生型液力變矩器葉片環(huán)量分配規(guī)律

劉春寶1，2，劉長鎖1，馬文星1，楊化龍1

(1.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林，長春 130022；2.吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林，長春 130022)

提出了一種基于魚體結(jié)構(gòu)的液力變矩器葉片環(huán)量分配規(guī)律.該方法利用逆向工程方法提取了魚類體型的元素，提出了液力變矩器各葉輪葉片的仿生多項(xiàng)式環(huán)量分配方案，設(shè)計(jì)出了類魚體的仿生葉片.通過采用Smagorinsky亞格子應(yīng)力模型的分離渦模擬，分別對(duì)仿生葉片和原始葉片的流道模型進(jìn)行了三維流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算.結(jié)果表明：通過將原始葉片的仿真預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了該數(shù)值模擬方法的有效性；在不改變?cè)既~片的重要參數(shù)的情況下，采用仿生環(huán)量分配規(guī)律設(shè)計(jì)出的仿生葉片，可以提高液力變矩器的最高效率值，最高效率可以提高1.5%. 對(duì)比分析了仿生前后的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，并采用Rothalpy對(duì)比了仿生葉片與原有葉片的能量損失，結(jié)果與性能預(yù)測(cè)值相吻合，驗(yàn)證了研究的可行性.

仿生學(xué)；液力變矩器；環(huán)量分配；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

流體機(jī)械葉片設(shè)計(jì)中，確定環(huán)量Vur及分布是前提條件，其分布規(guī)律對(duì)葉片形狀及性能有重要影響[1]. 傳統(tǒng)液力變矩器葉片環(huán)量分配法：在選定的設(shè)計(jì)速比下，循環(huán)圓平面中間流線上增加相同的弧長，液流沿葉片中間流線增加相同的環(huán)量，保證流道內(nèi)流動(dòng)狀況良好[2]．

這種理想的環(huán)量分配，跟真實(shí)的工作狀態(tài)有一定的差別，葉片設(shè)計(jì)結(jié)果適應(yīng)性存在不足. 雷雨龍等[3]改進(jìn)了液力變矩器葉片骨線以及厚度分布等參數(shù)，以得到合理分布的流場(chǎng)，提高性能. 骨線的改變也就意味著環(huán)量分配規(guī)律的改變. 田華[4]提出了葉片的不等分環(huán)量規(guī)律，通過不同分配規(guī)律的泵輪、渦輪及導(dǎo)輪葉片組合，實(shí)現(xiàn)變矩器性能的調(diào)整，滿足動(dòng)力傳動(dòng)系經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性的要求. 文中作者在田華的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了二次函數(shù)的環(huán)量分配規(guī)律，更為平緩變化過流斷面，改善了流動(dòng)狀態(tài)．

魚類在擺尾加速游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎等狀態(tài)下，軀體呈現(xiàn)一定的曲線形態(tài)，與很多流體機(jī)械的葉片近似. 對(duì)于水生動(dòng)物，有的具有極高的推進(jìn)效率，有的具有極大的爆發(fā)加速度和快速機(jī)動(dòng)響應(yīng)能力[5]，當(dāng)前仿生研究在國際上受到高度關(guān)注，亟待開展關(guān)于飛行和游動(dòng)的生物動(dòng)力學(xué)和相關(guān)仿生技術(shù)的研究[6].

將魚體流線形結(jié)構(gòu)與液力變矩器葉片通過環(huán)量建立聯(lián)系. 通過采集、分析魚體的三維數(shù)據(jù)參數(shù). 提取類似葉片、具有優(yōu)異流動(dòng)性能的形態(tài)，建立起相應(yīng)的流線、厚度模型. 將這些魚型體表面的曲線數(shù)據(jù)應(yīng)用到葉片的設(shè)計(jì)上，提出基于魚型體表面的新的環(huán)量分配方案，建立起葉片的厚度函數(shù)表達(dá)式，生成類魚體結(jié)構(gòu)仿生葉片. 通過魚體機(jī)構(gòu)特征提取的方法，建立仿生環(huán)量分配規(guī)律. 從流動(dòng)邊界層控制角度出發(fā)、生物樣本眾多適應(yīng)性強(qiáng)的方法有助于提高現(xiàn)有葉片設(shè)計(jì)理論[7-8]．

1 魚類形態(tài)測(cè)試與建模

為了提取形體參數(shù)，將魚體上的鰭去掉，經(jīng)顯影處理后，利用光電掃描儀獲得魚類的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù).

將掃描結(jié)果導(dǎo)入到逆向工程處理軟件進(jìn)行逆向工程處理. 逆向工程處理的環(huán)節(jié)主要分為3個(gè)階段，首先是處理掃描設(shè)備采集的點(diǎn)云模型，生成STL格式的封裝模型，然后利用逆向工程軟件Geomagic Studio進(jìn)行曲面重構(gòu)，然后進(jìn)行NURBS 曲面處理，將生成的曲面進(jìn)行擬合、合并，最后利用三維設(shè)計(jì)軟件UG 提取三維實(shí)體數(shù)據(jù). 鲅魚、掃描模型及曲面模型如圖1所示.

體高方向上，在鲅魚的嘴附近，取截面3份，在每個(gè)截面作一系列的包絡(luò)圓，使這些圓與曲面背弧及內(nèi)弧相切，從中分別測(cè)量魚型截面的弦長、最大厚度、最大厚度位置、最大彎度、進(jìn)出口角度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量參數(shù)如圖2所示．

圖3為各截面下各處厚度與1/10處的厚度比值情況．

其中x為每1/10弦長位置的橫坐標(biāo)，x∈(0，c)，c為弦長. 3組截面魚型的厚度比值分布是基本相同的，最大厚度位于弦長的3/10處，為了準(zhǔn)確提取出其厚度分布情況，取三組截面的平均值作為鲅魚的厚度比分布．

對(duì)三組鲅魚截面處的中弧線曲線進(jìn)行了提取，并進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，如圖4所示為第一組擬合曲線. 擬合得到的三組曲線多項(xiàng)式分別為式(1)～(3). 式中，y為對(duì)應(yīng)坐標(biāo)處的彎度值，R2為擬合精度．

(1)

(2)

(3)

2 多項(xiàng)式仿生環(huán)量分配建立

根據(jù)魚類骨線偏移角度所占比重CP值以及原始葉片進(jìn)出口角度，分配出中間流線上各點(diǎn)的葉片傾角，在循環(huán)圓設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，提出環(huán)量分配規(guī)律，設(shè)計(jì)出中間流線類似魚類骨線的仿生葉片．

假設(shè)將葉片中間流線均分成10份，中間流線各處的環(huán)量值計(jì)算公式為

(4)

式中：L為葉片上的環(huán)量；h為彎度；i=1時(shí)為進(jìn)口，i=11時(shí)為出口；β為葉片傾角；R為循環(huán)圓中間流線上縱坐標(biāo)；U為中間流線上圓周速度；vm為軸面速度.

中間各點(diǎn)的環(huán)量分配函數(shù)可以通過下式計(jì)算：

(5)

2.1 渦輪仿生葉片

渦輪葉片進(jìn)出口角度差值較大，進(jìn)口與出口厚度較小，中間厚度較大，青魚、鲅魚的形體恰恰符合這種要求，故以其作為仿生渦輪葉片設(shè)計(jì)的生物學(xué)參考. 常規(guī)葉片厚度較小，最厚處位于弦長的1/4處，青魚最厚位于3/10，鲅魚位于4/10處，魚類厚度較常規(guī)葉片更加厚重，設(shè)計(jì)仿生葉片時(shí)，以進(jìn)口端弦長1/10處的厚度與常規(guī)葉片相同. 將常規(guī)葉片的進(jìn)出口角度之差，按青魚、鲅魚中弧線上各點(diǎn)的偏移角度所占比值進(jìn)行分配，得到了青魚、鲅魚仿生葉片弦長各處的傾角值.

其中，鲅魚進(jìn)口區(qū)間內(nèi)角度變化較小，中間段及出口區(qū)間變化較大，而青魚中弧線進(jìn)口段較大，中后段變化較小. 利用式(4)～(5)，對(duì)兩種液力變矩器YJ315，YJSW335型的渦輪葉片進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，得到中弧線上各等分點(diǎn)的環(huán)量分配值f(x)，如圖5和圖6所示.

通過上述環(huán)量分配函數(shù)及各自的厚度分配，利用Matlab程序生成曲線，導(dǎo)入到三維建模軟件UG中，生成渦輪仿生葉片，兩種渦輪型號(hào)的葉片形狀對(duì)比如圖7所示．

2.2 泵輪仿生葉片

泵輪葉片進(jìn)出口角度差值較小，葉片厚度及角度分布也較小，以黃花魚和鯉魚進(jìn)行仿生設(shè)計(jì). 根據(jù)圖8，利用式(4)～(5)，得到中弧線上各等分點(diǎn)的環(huán)量分配值，如圖9～圖10所示，黃花魚與鯉魚的環(huán)量所占比重基本重合，黃花魚仿生、鯉魚仿生、常規(guī)泵輪葉片環(huán)量分配多項(xiàng)次函數(shù)如下.

從上圖可以看出，黃花魚及鯉魚的環(huán)量加載方式屬于前部加載，生成的兩種液力變矩器仿生泵輪葉片性能情況如圖11所示.

3 混合仿生葉片性能分析

作者在文獻(xiàn)[9]中討論了湍流模型雷諾應(yīng)力模型(RNS)、分離渦模型(DES)、大渦模擬(LES)等對(duì)液力變矩器流動(dòng)與特性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性. 表明DES模型能夠較好地描述流動(dòng)結(jié)構(gòu)和預(yù)測(cè)特性. 計(jì)算中采用計(jì)算軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，離散格式選用SIMPLC離散壓力修正方程，其他均為二階迎風(fēng)格式. 文中采用的DES模型基于RNGk-ε模型和LES模型，根據(jù)量綱分析，湍流含能渦的長度尺度為LDES=k3/2/ε，湍動(dòng)能的k方程為

(6)

式中Gk為湍動(dòng)能的生成項(xiàng)，被定義為

(7)

同時(shí)，Gk可以通過下式評(píng)估

(8)

式中S是速率-應(yīng)變平均張量的彈性模量

(9)

在剩余的區(qū)域尤其是分離流區(qū)域，采用LES中的Smagorinsky-Lilly亞格子模型. 泵輪、渦輪繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，泵輪轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，渦輪轉(zhuǎn)速根據(jù)速比(speed ratio)施加，導(dǎo)輪不動(dòng)，流體的內(nèi)外環(huán)表面及葉片表面均施加固壁無滑移邊界條件. 各個(gè)葉輪流道的進(jìn)出口面計(jì)算時(shí)，泵輪與渦輪按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速以一定的時(shí)間步長(0.000 5 s)，沿網(wǎng)格分界面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，上下游葉輪間流動(dòng)參數(shù)通過滑動(dòng)網(wǎng)格，實(shí)時(shí)傳遞通量以實(shí)現(xiàn)變矩器湍流流動(dòng)的瞬態(tài)計(jì)算．

3.1 性能預(yù)測(cè)

將泵輪仿生葉片、渦輪仿生葉片及物理原型導(dǎo)輪葉片組成仿生葉片組，進(jìn)行性能預(yù)測(cè). 結(jié)果如圖12所示，其中SR代表液力變矩器的轉(zhuǎn)矩比，CF為容量系數(shù)，TR為扭矩比，η為效率．

由圖12可知，通過比較YJ315型常規(guī)葉片的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，所有參數(shù)的變化趨勢(shì)是一致的. 其中，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的最大誤差為1.45%，容量系數(shù)的最大誤差為13.86%，說明YJ315型常規(guī)葉片的數(shù)值模擬是正確的，可以作為評(píng)價(jià)葉片性能的標(biāo)準(zhǔn). 同時(shí)，通過比較YJ315型常規(guī)葉片的仿真數(shù)據(jù)與仿生葉片數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，YJ315型仿生葉片組容量系數(shù)下降了10%；啟動(dòng)變距比從2.87升高到2.93，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，提升了整車的加速性能；最高效率從81.59%升高到82.87%，提高了其工作效率，增加了傳動(dòng)系統(tǒng)的效率．

YJSW335啟動(dòng)扭矩比上，仿生葉片組從4.27升高到4.45，在低轉(zhuǎn)速比與高轉(zhuǎn)速比區(qū)間的最高效率值分別為83.16%， 84.67%，提高的數(shù)值分別為1.19，1.51個(gè)百分點(diǎn)，在速比0.6工況下，最低效率從64.18%提高到67.39%，泵輪容量系數(shù)CF仿生葉片組變化較?。?/p>

綜上所述，相比于原有變矩器，兩組仿生型液力變矩器的啟動(dòng)扭矩與最高效率都有所增大，說明葉片的仿生設(shè)計(jì)可以減小其液力損失，具有良好的減阻增效效果，提高其工作效率，改善了整機(jī)的工作性能.

3.2 內(nèi)流場(chǎng)分析

圖13為在兩種不同工況下，YJSW335型導(dǎo)輪平面(Y=0.085 m)上的壓力云圖與流線圖. 對(duì)于YJSW335型液力變矩器的原始葉片與仿生葉片，在同一工況下，其導(dǎo)輪平面(Y=0.085 m)上的壓力分布與液流方向分布變化很小，說明通過仿生環(huán)量分配規(guī)律設(shè)計(jì)的仿生葉片組能夠很好地保證液力變矩器的良好特性. 隨著SR值的增大，導(dǎo)輪流道中的壓力梯度逐漸減小，趨于緩和，來自渦輪的液流對(duì)導(dǎo)輪的沖擊方向也在不斷變化. 同樣，對(duì)于YJ315型液力變矩器，在SR=0工況下，導(dǎo)輪葉片表面發(fā)生了流動(dòng)分離，產(chǎn)生旋渦，但仿生葉片的流動(dòng)分離程度小于原始葉片. 在SR=0.7工況下，葉片入口處的壓力分布上，仿生葉片也要好于原始葉片．

圖14為YJ315型仿生葉片組內(nèi)部泵輪，渦輪流道，在3種速比下由進(jìn)口到出口上的Rothalpy分布值. 以泵輪為例，采用Rothalpy值評(píng)價(jià)兩種元件的液力損失[10]. 隨著速比的上升，流道內(nèi)部Rothalpy值將會(huì)變的平緩，說明泵輪內(nèi)部的液力損失在不斷降低. 由于入射流沖擊引發(fā)的沖擊損失是進(jìn)口段(0～0.2)Rothalpy值迅速下降的原因，這部分值大概占整體的能量損失的20%；在中間區(qū)域上(0.2～0.8)，復(fù)雜的流動(dòng)狀況包括回流、二次流是造成Rothalpy值在此區(qū)間內(nèi)逐漸降低的主要原因；而葉片尾流與吸力面流動(dòng)分離是出口區(qū)域(0.8～1.0)Rothalpy值下降的主要因素. 通過兩種葉片的Rothalpy值比較可知，泵輪仿生葉片前緣的不等厚的結(jié)構(gòu)，使得沖擊損失減小. 同時(shí)，仿生葉片中間及出口區(qū)域基于二次環(huán)量分布的結(jié)構(gòu)，使得流動(dòng)狀況相對(duì)好轉(zhuǎn)，液力損失降低.

4 結(jié) 論

隨著仿生學(xué)的不斷發(fā)展，越來越多的學(xué)者們將仿生學(xué)原理運(yùn)用到流體機(jī)械領(lǐng)域，用于減阻增效. 文中在這一背景下，將魚類形體仿生融入到液力變距器中，在不改變?cè)腥~片的重要參數(shù)如進(jìn)出口角度、葉片數(shù)、葉片傾角的情況下僅僅是依據(jù)魚類形體數(shù)據(jù)僅改變?nèi)~片的厚度及中間流線分布，就能提升現(xiàn)有的液力變矩器效率. 文中借助具有優(yōu)良的減阻機(jī)制，較小流動(dòng)阻力的流線型的魚類形體，可以開發(fā)出更具高效率性能的仿生葉片．

文中利用三維掃描儀分別測(cè)量了4種魚類的體型數(shù)據(jù)，利用從中提取到的厚度及中間流線的曲率分布，設(shè)計(jì)出的兩種型號(hào)的液力變矩器泵輪與渦輪仿生葉片，經(jīng)過CFD 數(shù)值計(jì)算，最高效率都可以提高1.5%. 同時(shí)啟動(dòng)變距比也有上升. 說明了魚型仿生用于變矩器葉片設(shè)計(jì)的優(yōu)越性．

文中測(cè)量的魚類種量較少，更具減阻效果、游動(dòng)更加強(qiáng)勁的魚類生物特別是海洋生物也應(yīng)該被考慮. 由于現(xiàn)有觀測(cè)技術(shù)的限制，作者是將魚類頭部及尾部自然的擺動(dòng)一定角度，冷凍后測(cè)量的. 如果能夠利用到三維全息照相技術(shù)，在魚類自由游弋時(shí)觀測(cè)提取到的數(shù)據(jù)，相對(duì)而言將會(huì)更加的準(zhǔn)確．

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(責(zé)任編輯：孫竹鳳)

Circulation Distribution of Bionic Blades from Hydraulic Torque Converter Based on Fish Bodies

LIU Chun-bao1，2，LIU Chang-suo1，MA Wen-xing1，YANG Hua-long1

(1.College of Mechanical Science and Engineering， Jilin University， Changchun, Jilin 130022， China; 2.Key Laboratory of Bionics Engineering of Ministry of Education， Jilin University， Changchun, Jilin 130022， China)

A circulation distribution of bionic blades from hydraulic torque converter was established based on fish bodies. The reverse engineering was used to extract fish bodies’ elements, and circulation distribution schemes of every impeller blade were proposed and then bionic blades models were established. A detached eddy simulation based on Smagorinsky sub-grid stress model was adopted to numerically calculate three-dimensional flow fields of channel models for bionic blades and original blades respectively. Finally, the results reveal that the numerical simulation is effective through comparative analysis of simulation and experiment results from original blades; bionic blades designed from bionic circulation distribution possessing excellent drag reduction performance can increase the highest efficiency in the case that the major parameters of original blades don’t be changed. The highest efficiency can be increased by 1.5 percent from original hydraulic torque converter; the flow conditions of bionic and original fields were analyzed contrastively. The Rothalpy was used to compare energy loss of two kinds of blades. The results agree with predicted values. It also shows the bionic method is feasible and valid for blades designing.

bionics; hydraulic torque converter; circulation distribution; computational fluid dynamics

2015-05-15

國家“八六三”計(jì)劃項(xiàng)目(2014AA041502)

劉春寶(1980—)，男，博士，副教授，E-mail:liuanbc@126.com.

馬文星(1962—)，男，博士，教授，E-mail:mawx@jLu.edu.cn.

TH 137.332

A

1001-0645(2016)09-0887-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.09.002