一种适用于低雷诺数流动的仿生型压气机叶片造型方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于低雷诺数流动条件的仿生型压气机叶片造型方法，该方法借鉴了自然界中具有良好机动性能的生物结构和运动原理，首先筛选低雷诺数环境下机动性优异的生物仿生体，获取其三维结构几何数据；然后利用计算流体力学对仿生体叶片形态进行模拟分析，确定其气动特性；接着对叶片形态进行参数化优化设计，在保证关键几何参数相符的前提下，调整叶片前缘形状等参数，获得性能提升的仿生叶片模型；最后制作仿生叶片样件进行试验验证和优化调整，使其实现良好气动匹配效果

【技术实现步骤摘要】
一种适用于低雷诺数流动的仿生型压气机叶片造型方法


[0001]本专利技术属于中小型航空发动机
/
燃气轮机压气机
，特别是低雷诺数飞行器气动内流设计领域，涉及一种压气机叶片造型方法，尤其涉及一种适用于低雷诺数流动条件下的仿生型压气机叶片造型方法，使用该仿生叶片造型可减少飞机油耗，提高航程和载重能力
。

技术介绍

[0002]压气机是现代航空发动机非常重要的组件之一，压气机叶片是压气机的主要构件，直接承受着复杂的流场和高强度的载荷，决定着压气机的性能
、
效率和可靠性，因而压气机叶片结构和外形的优化设计是航空发动机设计中的关键环节
。
为了满足航空发动机在飞行过程中不同速度和高度的工作条件，压气机叶片必须具备良好的适应性和稳定性，能够在不同的雷诺数下保持高效的气动特性，这使得压气机叶片结构和外形的优化设计面临着许多挑战
。
尤其是在低雷诺数条件下，由于流场的复杂性和边界层的影响，传统的压气机叶片造型容易出现大面积的表面流动分离，导致能量损失率高
、
效率低的问题
。
因此，开发设计适用于低雷诺数流动条件下的低损失叶片造型方法，以提高压气机的效率和可靠性，并降低其使用成本，是当前的研究热点问题
。
这需要充分考虑边界层发展规律
、
流动分离机理
、
分离控制技术等因素，以获得更好的抗分离性能和低阻力设计
。
[0003]在实际应用中，由于低雷诺数下叶片表面流动分离现象可能会影响航空发动机高效稳定运行
。
现有的解决方案大多是通过增加叶片的厚度
、
改变叶片表面的形状来减少分离现象的发生
。
虽然这些方案可以一定程度上改善叶片表面流动分离情况，但是主要存在诸如以下方面的缺陷和不足：
(1)
仍然存在很高的局部阻力损失，
(2)
方案适用范围较小，
(3)
过于依赖经验与试错
。
克服现有传统压气机叶片设计方法中所存在的上述缺点和不足，需要从叶片的整体流场出发，采用更系统的手段进行叶片外形设计
。
[0004]另一方面，为了寻找新的设计思路和方法，人们不断向自然界中寻找灵感，尝试将仿生学原理应用于内流气动设计中
。
仿生学可以揭示自然界生物与环境的协同共适性，生物体表面通常演化出各种特殊结构以适应流体环境，这些结构对减弱流动分离
、
改善边界层转移具有重要作用
。
将仿生学原理应用到压气机叶片等飞行器构件的设计中，可以创造出具有更好的气动性能和适应性的高效结构
。
例如将座头鲸鳍肢引入轴流风扇的前缘，发现仿生前缘设计可以减缓叶尖失速，并在低流速下提供更好的空气动力学性能特征
。
再比如采用正弦波仿生前缘成型的压缩机叶片可显著降低失速发生率，从而显著降低叶片损耗
。
仿生前沿设计可以增强流动混合，并在高雷诺数下显著改变叶片表面的过渡和分离过程
。
然而，仿生前沿造型是否可以作为低雷诺数下的有效过渡控制策略尚不清楚，需要进一步研究其对叶片表面边界层的影响和机理
。
总之，低雷诺数流动条件下高效压气机叶片的气动设计需要多学科综合方法，结合数值计算
、
试验研究和仿生学原理，以得到叶片全局和局部结构的最佳匹配
。
这对提升压气机效率和扩大工作范围具有重要意义，是亟待解决的技术难题
。

技术实现思路

[0005](
一
)
专利技术目的
[0006]针对现有技术的上述缺陷和不足，为解决压气机在低雷诺数条件下存在的气动性能和稳定裕度恶化等技术问题，本专利技术通过借鉴仿生学中生物结构和运动原理，提出一种在低雷诺数流动条件下具有更高性能和适应性的仿生前缘压气机叶片造型方法，该技术可应用于高空低雷诺数条件，使用该仿生前缘压气机叶片造型可减少飞机的油耗，提高航程和载重能力，对开发适用于高空低雷诺流动条件下的高负荷先进压缩机叶片具有重要意义
。
[0007](
二
)
技术方案
[0008]为实现该专利技术目的，解决其技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种适用于低雷诺数流动条件的仿生型压气机叶片造型方法，其特征在于，所述方法在实施时至少包括以下几个步骤：
[0010]SS1.
收集和筛选在水或大气流体环境中低雷诺数流动条件下具有良好机动性能的仿生体作为压气机叶片造型的参考对象，且所述仿生体应选择具有成熟演化结构的生物体并获取其运动行为数据，并至少基于包括所述仿生体的体型大小
、
运动方式
、
流体环境
、
机动性能在内的考虑因素，筛选出与压气机叶片的工作环境高度契合的仿生型形态；
[0011]SS2.
通过数字化扫描或数学建模的方式获取所选仿生体的三维几何特征数据，所获得的仿生体的三维几何特征数据至少应反映所选仿生体的外形轮廓以及表面的晶格或纹理结构；
[0012]SS3.
基于所获得的仿生体的三维几何特征数据构建仿生体的叶片形态和面板轮廓，利用计算流体力学仿真对生物体的叶片形态和面板轮廓进行空气动力学气动特性计算和评估，确定其表面结构与周围流场的相互作用关系，验证其叶片形态和面板轮廓在低雷诺数流动条件下的气动性能及流向特征；
[0013]SS4.
在所筛选仿生体的基础上开展改进设计，在保证至少包括叶型的前缘角
、
尾缘角及叶片安装角在内的关键几何参数与基础压气机叶片保持一致的前体下，采用参数化方法对仿生体的叶片形态和面板轮廓进行改进设计，通过迭代调节优化至少包括叶片前缘形状
、
弯度及厚度分布在内的几何参数，得到优化改进后的仿生型压气机叶片参数模型，使其更好适应压气机叶片在低雷诺数流动条件下的工作环境，以实现更好的气动性能和较低的损失；
[0014]SS5.
基于步骤
SS4
优化改进后得到的参数模型，制作出改进后的仿生型压气机叶片实物，并对其在低雷诺数流动条件下进行试验验证，验证其在目标环境下的气动特性，根据试验结果调整改进方案，最终获得高效匹配来流条件的仿生型压气机叶片设计
。
[0015]本专利技术优选的实例中，上述步骤
SS2
中，不仅通过数字化扫描或数学建模的方式获取所选仿生体的三维几何特征数据，还通过多源数据融合或数据挖掘等方法获取所选仿生体的其他相关数据，所述其他相关数据为生物学数据
、
环境数据和
/
或历史数据，以更全面地反映所选仿生体的特征和背景
。
[0016]本专利技术优选的实例中，上述步骤
SS3
中，除利用计算流体力学仿真对生物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种适用于低雷诺数流动条件的仿生型压气机叶片造型方法，其特征在于，所述方法在实施时至少包括以下几个步骤：
SS1.
收集和筛选在水或大气流体环境中低雷诺数流动条件下具有良好机动性能的仿生体作为压气机叶片造型的参考对象，且所述仿生体应选择具有成熟演化结构的生物体并获取其运动行为数据，并至少基于包括所述仿生体的体型大小
、
运动方式
、
流体环境
、
机动性能在内的考虑因素，筛选出与压气机叶片的工作环境高度契合的仿生型形态；
SS2.
通过数字化扫描或数学建模的方式获取所选仿生体的三维几何特征数据，所获得的仿生体的三维几何特征数据至少应反映所选仿生体的外形轮廓以及表面的晶格或纹理结构；
SS3.
基于所获得的仿生体的三维几何特征数据构建仿生体的叶片形态和面板轮廓，利用计算流体力学仿真对生物体的叶片形态和面板轮廓进行空气动力学气动特性计算和评估，确定其表面结构与周围流场的相互作用关系，验证其叶片形态和面板轮廓在低雷诺数流动条件下的气动性能及流向特征；
SS4.
在所筛选仿生体的基础上开展改进设计，在保证至少包括叶型的前缘角
、
尾缘角及叶片安装角在内的关键几何参数与基础压气机叶片保持一致的前体下，采用参数化方法对仿生体的叶片形态和面板轮廓进行改进设计，通过迭代调节优化至少包括叶片前缘形状
、
弯度及厚度分布在内的几何参数，得到优化改进后的仿生型压气机叶片参数模型，使其更好适应压气机叶片在低雷诺数流动条件下的工作环境，以实现更好的气动性能和较低的损失；
SS5.
基于步骤
SS4
优化改进后得到的参数模型，制作出改进后的仿生型压气机叶片实物，并对其在低雷诺数流动条件下进行试验验证，验证其在目标环境下的气动特性，根据试验结果调整改进方案，最终获得高效匹配来流条件的仿生型压气机叶片设计
。2.
根据权利要求1所述的适用于低雷诺数流动条件的仿生型压气机叶片造型方法，其特征在于，上述步骤
SS2
中，不仅通过数字化扫描或数学建模的方式获取所选仿生体的三维几何特征数据，还通过多源数据融合或数据挖掘等方法获取所选仿生体的其他相关数据，所述其他相关数据为生物学数据
、
环境数据和
/
或历史数据，以更全面地反映所选仿生体的特征和背景
。3.
根据权利要求1所述的适用于低雷诺数流动条件的仿生型压气机叶片造型方法，其特征在于，上述步骤
SS3
中，除利用计算流体力学仿真对生物体的叶片形态和面板轮廓进行空气动力学气动特性计算和评估外，还通过人工智能或机器学习方法对生物体的叶片形态和面板轮廓进行智能分析和预测，以确定其在未知或变化的流场条件下的气动性能及流向特征
。4.
根据权利要求1所述的适用于低雷诺数流动条件的仿生型压气机叶片造型方法，其特征在于，上述步骤
SS4
中，基础压气机叶片的原始前缘呈椭圆形，以座头鲸的前缘呈正弦曲线的鳍作为仿生造型参考对象，在保持叶型的前缘角
、
尾缘角及叶片安装角等关键几何参数不变的前体下，采用参数化方法对基础压气机叶片的前缘造型进行改进设计，在生成仿生叶片前缘时，通过定义长轴和短轴的尺寸
、
圆心
、
长轴的倾斜角来创建椭圆前缘，通过沿展向调整椭圆的长轴尺寸，将叶片的前缘加工成正弦波浪形，并保持叶片的展向轮廓连续平滑
。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐华锋，赵胜丰，王名扬，卢新根，韩戈，阳诚武，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：