一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型、仿生叶片及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型、仿生叶片及制备方法，属于流体机械设备技术领域，本发明专利技术的仿生翼型由仿生翼型前缘和基础翼型尾缘连接得到，仿生翼型前缘根据基础翼型尾缘连接端上下两端点的距离H1对水生蛇头部轮廓线进行缩放得到；本发明专利技术的仿生叶片，其翼型为上述仿生翼型，结构包括内部中空的仿生叶片前端、仿生叶片尾部，调节机构和柔性连接结构，所述仿生叶片前端、仿生叶片尾部的连接端通过柔性连接结构实现有间隔连接，调节机构设置在所述仿生叶片的空腔中用于调节仿生叶片前端的运动状态，本发明专利技术的仿生翼型能避免旋转叶轮和航空叶片在工作时遇到变工况或者极端工况，得到气动性能更优的叶片。得到气动性能更优的叶片。得到气动性能更优的叶片。

【技术实现步骤摘要】
一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型、仿生叶片及制备方法


[0001]本专利技术属于流体机械设备
，具体属于一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型、仿生叶片及制备方法。

技术介绍

[0002]在旋转叶轮机械和航空叶片中，翼型作为流体机械设备的基本单元，翼型设计优劣决定了相关设备的性能。流动分离现象普遍存在于翼型扰流中，且流动分离会影响翼型的流体动力学特性并增加能量损失，还会引起翼型表面气动力的剧烈波动，限制相关设备的安全与高效运行。因此，研究翼型的流动分离控制技术具有十分重要的意义。为了抑制这一现象的发生，人们发现仿生学作为连接自然界和科学的纽带，在改善翼型气动性能方面已经取得了很大的进展，通过生物本身的结构功能为旋转叶轮机械以及航空叶片的设计制造提供了新思路和新方法。因此，从自然界获取灵感专利技术创造节能、减阻、降噪、抑制流动分离等多种控制方式，有利于进一步提升旋转叶轮机械和航空叶片的设计水平和开发产品的性能。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型、仿生叶片及制备方法，避免旋转叶轮和航空叶片在工作时遇到变工况或者极端工况，得到气动性能更优的叶片。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型，由仿生翼型前缘和基础翼型尾缘连接得到，所述仿生翼型前缘根据基础翼型尾缘连接端上下两端点的距离H1对水生蛇头部轮廓线进行缩放得到。
[0005]本专利技术还提供一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型的制备方法，具体步骤如下：
[0006]S1以水生蛇头部最前缘点作为坐标原点建立x
‑
y坐标系，获取生蛇头部横截面轮廓外形的特征点，对特征点进行非线性光滑曲线拟合，得到水生蛇头部轮廓线；
[0007]S2根据基础翼型尾缘连接端上下两端点的距离H1和水生蛇头部轮廓线开口端上下两端点的距离的H2对水生蛇头部轮廓线进行i倍的比例缩放，得到仿生翼型前缘；
[0008]S3将仿生翼型前缘的连接端和基础翼型尾缘连接端连接得到仿水生蛇头部型线的仿生翼型。
[0009]进一步的，S1中，将提取的水生蛇头部特征点根据曲线弯曲特征分为曲线段A、曲线段B和曲线段C，并对三个部分的特征点分别进行了非线性光滑曲线拟合，得到了拟合曲线1、拟合曲线2、拟合曲线3以及拟合曲线对应的控制方程y1、y2和y3，具体如下：
[0010][0011]其中，k表示不同大小水生蛇头部特征之间的差异度，y
1k
、y
2k
和y
3k
为不同尺寸大小的水生蛇头部拟合曲线对应的控制方程；
[0012]对控制方程y
1k
、y
2k
和y
3k
的特征点进行离散化，将得到的特征点依次相连即可获得水生蛇头部轮廓线。
[0013]进一步的，S2中，根据基础翼型尾缘连接端上下两端点的距离H1与水生蛇头部轮廓线开口端上下两端点的距离的H2之间的几何倍数关系对拟合曲线1、拟合曲线2、拟合曲线3进行比例缩放，即可获得适用于基础翼型尾缘的仿生翼型前缘轮廓线方程d1、d2、d3：
[0014][0015]其中，i为缩放比例；
[0016]将仿生翼型前缘轮廓线方程d1、d2、d3对应的曲线依次连接得到仿生翼型前缘16。
[0017]进一步的，所述基础翼型尾缘的弦长为L2，L2＝(0.6
‑
0.85)
×
c，其中，c为基础翼型的弦长。
[0018]本专利技术还提供一种仿生叶片，其翼型为上述仿生翼型，结构包括内部中空的仿生叶片前端、仿生叶片尾部，调节机构和柔性连接结构，所述仿生叶片前端、仿生叶片尾部的连接端通过柔性连接结构实现有间隔连接，调节机构设置在所述仿生叶片的空腔中用于调节仿生叶片前端的运动状态。
[0019]进一步的，所述柔性连接结构为弹性柔性蒙皮，仿生叶片前端与仿生叶片尾部连接端外表面通过弹性柔性蒙皮连接。
[0020]进一步的，所述弹性柔性蒙皮通过固定螺钉固定在仿生叶片前端与仿生叶片尾部连接端的外表面上
[0021]进一步的，所述调节机构包括舵盘和舵机，舵盘通过舵盘安装支架设置在仿生叶片前端内腔中，舵机通过舵机固定支架固定在仿生叶片尾部内腔中，舵盘通过其上的第二舵盘配合孔与舵机的舵机轴连接。
[0022]进一步的，仿生叶片前端有三个运动状态，分别为下俯、中间状态和上仰，具体的：
[0023]下俯状态的下俯角度
‑
30
°
≤θ<0
°
；
[0024]中间状态的角度θ＝0
°
；
[0025]上仰状态的上仰角度0
°
<θ≤30
°
。
[0026]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0027]本专利技术提供一种仿生翼型，根据水生蛇的头部特征进行设计的，水生蛇作为一种
在水中生活的生物，在长期的自然进化中形成了圆滑、流畅、呈流线型的头部特征，这些特征使水生蛇具有独特高效的减阻机制和快速、噪声低的游动特性。水生蛇的头部作为冲击气流的迎流面，来流对头部具有较大的压力和阻力，但实际水生蛇头部轮廓能有效缓解来流冲击，有效分流，减小流动阻力，而常规翼型叶片的前缘作为迎流面也会受到较大的气流冲击和阻力。因此，根据水生蛇头部流线型特征型线所建立的仿生翼型具有缓解来流冲击，减小翼型表面流动阻力，提高气动性能的优点。
[0028]上述获得的仿生翼型具有比常规翼型更高的升阻力系数，因此由此翼型制备的仿生叶片也具有更好的气动性能。由于水生蛇头部会调整至上仰或下俯姿态来加速游动，减小流动阻力，根据此特征，本专利技术结合上述仿生翼型和高效的仿生游动姿态来制备前端可调节的仿生叶片。该仿生叶片与传统的仿生叶片不同，主要是因为该仿生叶片前端与仿生叶片尾部之间并没有固定连接，而是在仿生叶片前端与仿生叶片尾部之间设置有舵盘和舵机。其中，舵盘和舵机相互配合，根据叶片运行的工况将信号反馈到舵机上，舵机做出响应，带动舵盘转动，由于舵盘和仿生叶片前端之间是通过舵盘安装支架、舵盘与仿生叶片前缘的配合孔、仿生叶片前端支架与舵盘配合孔固定的，所以舵盘转动也会带动仿生叶片前端的转动。由于仿生叶片前端需要完成上下俯仰偏转运动，所以在仿生叶片前端和仿生叶片尾部之间需要留有一定的间隙，间隙值为0.04倍的L2，即可保证在仿生叶片前端上仰和下俯时，与和仿生叶片尾部之间不发生碰撞。但是为了叶片具有更高的气动性能，进一步提高能量的获取效率，本专利技术还在该间隙之间设有弹性柔性蒙皮，减少了阻力。
附图说明
[0029]图1为本专利技术选取的水生蛇头部特征图；
[0030]图2为本专利技术水生蛇头部特征点提取图；
[0031]图3为本专利技术水生蛇头部特征点及拟合曲线图；
[0032]图4为本专利技术仿生翼型前缘轮廓线；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型，其特征在于，由仿生翼型前缘(16)和基础翼型尾缘(15)连接得到，所述仿生翼型前缘(16)根据基础翼型尾缘(15)连接端上下两端点的距离H1对水生蛇头部轮廓线进行缩放得到。2.权利要求1所述的一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：S1以水生蛇头部最前缘点作为坐标原点建立x
‑
y坐标系，获取水生蛇头部横截面轮廓外形的特征点，对特征点进行非线性光滑曲线拟合，得到水生蛇头部轮廓线；S2根据基础翼型尾缘(15)连接端上下两端点的距离H1和水生蛇头部轮廓线开口端上下两端点的距离的H2对水生蛇头部轮廓线进行i倍的比例缩放，得到仿生翼型前缘(16)；S3将仿生翼型前缘(16)的连接端和基础翼型尾缘(15)连接端连接得到仿水生蛇头部型线的仿生翼型。3.根据权利要求2所述的一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型的制备方法，其特征在于，S1中，将提取的水生蛇头部特征点根据曲线弯曲特征分为曲线段A、曲线段B和曲线段C，并对三个部分的特征点分别进行了非线性光滑曲线拟合，得到了拟合曲线1、拟合曲线2、拟合曲线3以及拟合曲线对应的控制方程y1、y2和y3，具体如下：其中，k表示不同大小水生蛇头部特征之间的差异度，y
1k
、y
2k
和y
3k
为不同尺寸大小的水生蛇头部拟合曲线对应的控制方程；对控制方程y
1k
、y
2k
和y
3k
的特征点进行离散化，将得到的特征点依次相连即可获得水生蛇头部轮廓线。4.根据权利要求3所述的一种仿水生蛇头部型线的仿生翼型的制备方法，其特征在于，S2中，根据基础翼型尾缘(15)连接端上下两端点的距离H1与水生蛇头部轮廓线开口端上下两端点的距离的H2之间的几何倍数关系对拟合曲线1、拟合曲线2、拟合曲线3进行比例缩放，即可获得适用于基础翼型尾缘(15)的仿生翼型...

【专利技术属性】
技术研发人员：马祺敏，张洋，王加浩，张家忠，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：