中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法

摘要

本发明涉及一种中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，属于工程仿生技术领域。有益之处：（1）本发明充分考虑到了中大型转子叶片“以翼弦为特征长度的雷诺数在叶片径向方向是变化的”这一重要事实，较现有的以部分考虑或完全忽视该事实为基础所进行的非均匀渐变甚至沟槽等宽度、无差别化、均一型设计更加科学、合理；（2）本发明提供的均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法较现有非均匀渐变以及抽象、简化型低逼真度仿鲨鱼减阻降噪微结构设计更能保证其更加高效的实际使用效果，有助于使转子叶片虚拟分区内的每一部分都能接近或最大化的模拟生物机能。

主权项

中大型转子叶片上均匀渐变型高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：中大型转子叶片虚拟分区及参数提取(A)兼顾减阻降噪必要性及后续加工经济性，在每个中大型转子叶片正反两面上虚拟地各划设一条与其回转轨迹相一致的分界线，将叶尖与该分界线之间的叶片区域作为实施仿鲨鱼沟槽微结构设计的区域；(B)从后续加工经济性角度将叶片正反两面上具有微小结构尺寸差别的对应分区视为完全相同，进而根据叶片翼型及设计尺寸，分别提取叶尖及经(A)步骤划设的虚拟分界线处叶片翼弦的弦长值；(C)根据中大型转子叶片的设计额定转速及叶片尺寸，提取叶尖及经(A)步骤划设的虚拟分界线所处回转半径的数值，进而计算叶尖及虚拟分界线处叶片翼弦的线速度；第二步：转子叶片虚拟分区边界处最佳沟槽宽度流体计算(A)根据第一步计算出的叶尖及虚拟分界线处叶片翼弦的线速度，并以第一步提取出的叶尖及虚拟分界线处叶片翼弦的弦长值作为几何特征长度，按照公式1计算转子叶片虚拟分区两个边界处的雷诺数R_e，式中V为叶片翼弦线速度，L为叶片翼弦的几何特征长度，ρ为流体介质密度，μ为流体介质动力粘度；R_e＝ρVL/μ       (1)(B)根据经(A)步骤计算出的转子叶片虚拟分区边界处雷诺数R_e的数值范围，按照史里希丁公式2计算转子叶片虚拟分区边界处湍流边界层的摩阻系数C_f；$C_f=\frac{0.455}{{\left(\lg R_e\right)}^{2.58}}-\frac{3700}{R_e}---\left(2\right)$(C)根据经(B)步骤计算出的叶片虚拟分区边界处湍流边界层的摩阻系数C_f，按照公式3计算转子叶片虚拟分区边界处仿鲨鱼沟槽微结构发挥最佳减阻效果时的最佳沟槽宽度s；$s=\frac{16\mu }{\rho V}\sqrt{\frac{2}{C_f}}---\left(3\right)$第三步：鲨鱼盾鳞沟槽微结构生物原型提取(A)选择典型高游速鲨鱼并裁切出一定面积的新鲜鲨鱼皮，借由适当的预处理工艺，制得鲨鱼皮生物模板，进而作为中大型转子叶片上高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的生物原型；(B)对经(A)步骤制得的鲨鱼皮生物模板进行高精度三维表面轮廓扫描，得到其高精度表面形貌图像，提取鲨鱼盾鳞沟槽微结构的横截面轮廓曲线，进而提取沟槽宽度、鳞脊高度、鳞片倾角以及有关沟槽截面轮廓的具体数据；第四步：虚拟分区内高逼真仿鲨鱼沟槽微结构的均匀渐变化设计(A)以第二步计算出的转子叶片虚拟分区边界处仿鲨鱼沟槽微结构发挥最佳减阻效果时的最佳沟槽宽度s作为叶片虚拟分区边界处仿鲨鱼沟槽微结构的设计沟槽宽度，分别将两边界处的设计沟槽宽度与第三步获取的生物原型沟槽数据进行数值比对，进而对两边界处仿鲨鱼沟槽横截面轮廓进行比例缩放基础上的高精度二维化设计；(B)以(A)步骤中虚拟分区两个边界处仿鲨鱼沟槽横截面二维数字化轮廓作为数据渐变的两极，在虚拟分区内沿虚拟分界线到叶尖方向进行仿鲨鱼沟槽横截面二维轮廓曲线的均匀缩小化渐变设计；为降低后续加工成本，从虚拟分界线起到叶尖方向，限定在回转半径变化率为2％的叶片区域内采用完全相同的仿鲨鱼沟槽横截面设计；由此，经过若干步数的间歇性逐级渐变以后，整个虚拟分区内仿鲨鱼沟槽横截面便由尺寸较大一极完成向尺寸较小一极的均匀渐变；(C)以第三步获取的高精度鲨鱼皮表面形貌作为中大型转子叶片上高逼真仿鲨鱼沟槽微形貌的设计依据，将经(B)步骤设计出的均匀渐变型仿鲨鱼沟槽横截面数字化轮廓进行三维化处理，生成鳞片独立、有倾角、呈菱形交错排列的仿鲨鱼鳞片结构，最终在中大型转子叶片的虚拟分区内完成高逼真、均匀渐变型仿鲨鱼沟槽微结构的设计。