基于信鸽体表的减阻降噪功能表面耦合仿生

论文摘要

基于工程仿生学研究的仿生改形基本方法,以仿生耦合理论和仿生非光滑理论为基础,从体表形貌、表面设计、数值模拟和试验研究等几方面,进行了仿信鸽耦合减阻降噪功能表面的研究。从体表生物特征出发,对信鸽的表面形貌数字特征进行了研究,量化分析了信鸽体表单元体及其分布的几何参数,采用逆向工程方法建立了信鸽胸部、背部和翅膀三个部位表面的几何模型,同时对三个部位的表面形态进行了模拟。分析了信鸽体表的分形特性,采用盒子维方法,计算了信鸽体表胸部、背部和翅膀表面的分形维数,对三个部位表面进行了量化描述。运用仿生耦合思想,结合信鸽体表的生物学特性,从形态、结构、材料等因素着手,对信鸽体表减阻降噪功能的实现进行了生物耦合研究,并设计出七种具有非光滑结构的耦合功能表面。通过对仿生耦合功能表面流场的数值模拟,对比、分析和阐述了耦合功能表面对边界层流场的影响规律,揭示了仿生耦合功能表面的减阻机理。设计出用于风洞试验的仿生耦合表面,以汽车冷却风扇为载体,设计加工出十三种仿生耦合风扇。通过风洞试验,测试、分析了原型风扇与仿生耦合风扇在阻力、噪声、效率以及风量等气动参数的差别,证实了仿生耦合风扇所具有的减阻降噪功能。本文将仿生耦合理论应用于汽车冷却风扇的减阻降噪研究,获得了良好的减阻增效以及降噪效果,为进行具有节能降噪、绿色环保功能风扇的进一步研究提供了新的研究思路和方向,为仿生耦合功能表面的工程应用研究奠定了一定的基础。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 背景和意义
• 1.2 仿生学及仿生耦合理论
• 1.2.1 仿生学及研究内容
• 1.2.2 仿生耦合理论
• 1.3 仿生非光滑与仿生减阻和降噪技术研究现状
• 1.3.1 仿生非光滑理论
• 1.3.2 流体仿生减阻和降噪技术研究现状
• 1.4 风扇的减阻和降噪研究现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 1.5.1 课题来源和研究目的
• 1.5.2 研究的技术路线
• 1.5.3 研究的主要内容
• 第二章 信鸽体表形貌仿生研究
• 2.1 信鸽的生物学特性
• 2.2 数据采集与模型建立
• 2.2.1 体表试样制备
• 2.2.2 信鸽体表形貌特征
• 2.2.3 表面形态数据采集及建模
• 2.2.4 信鸽试样表面建模
• 2.3 体表羽毛及分布参数
• 2.3.1 羽毛分布的统计分析
• 2.3.2 羽毛的参数测量
• 2.4 信鸽体表的计算机模拟
• 2.5 本章小结
• 第三章 信鸽体表形态分形研究
• 3.1 分形几何基础
• 3.1.1 分形概念
• 3.1.2 分形维数及估算方法选择
• 3.1.3 表面自相似性分析
• 3.2 信鸽体表形态的分形维数
• 3.2.1 基于三维扫描信息的分形维数计算
• 3.2.2 基于体表图像的分形维数计算
• 3.3 本章小结
• 第四章 仿生耦合减阻降噪功能表面设计
• 4.1 生物功能表面仿生耦合
• 4.2 信鸽体表耦合特性分析
• 4.3 仿信鸽耦合功能表面设计
• 4.3.1 仿生耦合功能表面
• 4.3.2 功能表面设计
• 4.4 仿生耦合功能表面的尺寸选择原则
• 4.4.1 功能表面流体分析
• 4.4.2 功能表面尺寸范围估算
• 4.5 本章小结
• 第五章 仿生耦合功能表面流场数值模拟
• 5.1 流场数值模拟基本理论
• 5.1.1 流场数值模拟
• 5.1.2 流体控制方程
• 5.1.3 FLUENT 软件
• 5.2 计算区域的建立及离散化
• 5.2.1 计算域
• 5.2.2 计算网格的生成
• 5.3 湍流模型的选取和定解条件
• 5.3.1 湍流模型的选取
• 5.3.2 边界条件
• 5.3.3 边界层网格的处理方法
• 5.4 计算方法与计算精度的验证
• 5.5 数值计算结果
• 5.6 表面流场分析及减阻机理探讨
• 5.6.1 剪应力分析
• 5.6.2 摩擦阻力系数分析
• 5.6.3 速度场分析
• 5.6.4 湍流统计分析
• 5.6.5 对边界层的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 风扇叶片表面仿生耦合设计
• 6.1 汽车冷却风扇
• 6.1.1 风扇工作特点
• 6.1.2 汽车冷却风扇工作特点
• 6.2 汽车冷却风扇空气动力学特性和噪声影响因素
• 6.3 仿生耦合汽车冷却风扇设计
• 6.3.1 原型风扇性能参数
• 6.3.2 风扇叶片表面设计
• 6.3.3 仿生耦合风扇
• 6.4 本章小结
• 第七章 仿生耦合汽车冷却风扇试验研究
• 7.1 风扇气动参数及其计算
• 7.2 风洞试验
• 7.2.1 阻力及气动性能试验
• 7.2.2 噪声试验
• 7.3 试验结果分析
• 7.3.1 减阻特性分析
• 7.3.2 降噪特性分析
• 7.3.3 气动参数分析
• 7.3.4 材料耦合分析
• 7.3.5 仿生风扇综合评判
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文工作总结
• 8.2 本文主要创新点
• 8.3 研究工作展望
• 参考文献
• 读博士期间发表的学术论文及其它科研成果
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT