[发明专利]叶轮叶片减阻微织构的设计方法

摘要

本发明公开了一种叶片表面减阻微织构的设计方法，属于叶片减阻领域。根据叶轮叶片模型，建立流场域；对流场域进行数值模拟仿真，得到叶片高度方向中间截面的流线图，据此确定翼型压力面、边界层分离区域和翼型吸力面的回流区域作为微织构放置区域；在微织构放置区域紧贴叶片翼型布置微织构截面，并使其在叶片表面上沿着叶片高度方向扫掠成肋条或沟槽；对建有肋条或沟槽微织构的叶片模型采用有限元仿真优化微织构的放置位置和截面形状，获得减阻最好的微织构的放置位置和截面形状，以此构造叶片表面减阻微织构。优化的叶片表面减阻微织构减阻达到5%到10%，减少了能量消耗，节约了燃油资源，减阻微织构的设计方法可推广应用到其它领域。

主权项

一种叶轮叶片减阻微织构的设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)：根据叶轮叶片模型，建立流场域，流场域的特征为：流场域的宽度W为叶轮相邻叶片周向距离的两倍；流场域高度H为叶片高度的1～1.1倍；流场轨迹曲线(1)是通过拟合叶底和叶顶两条翼型中线(2)，求得平分线(3)，再将此平分线(3)前后各延长2～3倍叶底弦长得到的；步骤2)：对步骤1)所得的流场域进行数值模拟，并计算叶片受到的气流阻力；步骤3)：根据步骤2)中的数值模拟结果，在叶片高度方向中间位置建立中间截面(4)，得到此截面的速度流线图，据此确定在压力面(5)，边界层分离区域(6)和吸力面回流区域(7)三块区域布置微织构截面(13)；微织构的截面形状和具体位置为：微织构的截面形状为三角形或四边形，且其中一条边紧贴该截面翼型(8)上；微织构的高度h为该截面内湍流涡系在叶片法向方向上最大尺度Hmax的4％～7％，但最小高度不低于0.05mm，最大高度不超过1mm；压力面的微织构布置在叶片前缘(10)到后缘(11)方向上前50％的区域内；吸力面的微织构布置在吸力面从回流开始到结束方向上前50％的范围内；边界层分离区域(6)内只布置一个微织构；在压力面和吸力面回流区域的微织构，其中心间距l为高度h的1.5～2.5倍；微织构的迎流边和来流方向夹角θ在50度到90度之间；压力面的微织构是沟槽结构，即微织构截面嵌在翼型(8)内，而边界层分离区域和吸力面的回流区域是肋条结构，即微织构截面突出在翼型(8)外；步骤4)：以步骤3)布置的微织构截面(13)为母线，在叶片表面上沿叶片高度方向扫掠成肋条(14)或沟槽，具体过程为：在叶片吸力面建立一投影平面(15)，该平面平行于叶片高度方向，且平行于中间截面(4)中叶片翼型的弦长方向；将步骤3)中创建的底边中点，底边为微织构截面边长位于翼型内的一边；向投影平面(15)作垂直投影；在该投影平面(15)内作通过以上投影点的平行直线束(16)，该平行直线束开始于叶底到叶高方向上5％的位置，结束于95％位置处，然后将该平行直线束向叶片作投影，得到投影曲线，以这些投影曲线为引导线，以微织构截面(13)为母线，扫掠成沟槽和肋条(14)，完成微织构的创建；步骤5)：对步骤4)中建有肋条和沟槽微织构的叶片模型重新进行数值模拟，计算模型受到的阻力，并与之前得到的阻力作比较；通过不断调整微织构的位置和截面形状，以给定的减阻比作为优化目标，最终获得具有最优减阻性能的微织构布置。