鸮翼前缘非光滑形态消声降噪机理

长耳鸮扑翼噪声测量试验表明,其翼前缘圆弧齿状非光滑形态对其飞行降噪影响显著。应用逆向重构技术,对长耳鸮翼前缘非光滑形态特征几何信息进行量化,并建立仿生类比模型。采用计算气动声学方法,对仿生前缘非光滑模型的降噪特性进行了数值模拟,并通过分析仿生非光滑形态对模型表面流场的影响,对仿生非光滑形态气流噪声控制机理进行了研究。结果表明,仿生非光滑模型与光滑模型相比,可降低气流噪声5～10 dB,且具备一定的增升作用;仿生前缘非光滑形态具有整流及控制气流分离的特性,可减少由于翼表面气流压力脉动及涡流脱离引发的气流噪声。     

长耳鸮翅膀的三维建模

通过对扫描获取的长耳鸮翅膀三维点云进行展向等距切片,依据翼型理论提取每个截面翼型的中弧线和厚度分布,采用最小二乘法拟合得到各公式系数,取平均系数以减小各翼型差异。对展向最大弧度、最大厚度、弦长和前缘线进行拟合修正,最终建立了翅膀的三维模型。翅膀模型的建立为数值分析探究长耳鸮翅膀良好气动和声学性能机理提供了前期基础,可将其应用于仿生扑翼飞行器上。     

结构参数对仿生翅片翼气动性能影响

为提高翼型气动性能,提出一种仿生翅片翼型.以NACA0018为例,在翼型吸力面布置固定仿生翅片翼,分析翅片翼的相对位置、相对长度结构参数及两者综合效应对仿生翅片翼改变翼型气动特性的能力的影响,并从流场角度分析仿生翅片翼的作用机理.数值计算结果表明:以翅片翼的最佳控制效果作为衡量标准,靠近前缘处翅片翼对大分离流动效果显著,靠近尾缘的翅片翼对于中度的流动分离效果较好;相对长度与翅片翼气动性能呈非线性关系,且长度过短时无法对分离层产生有效分割,过长时影响分离层上方的流体.当翅片翼末端刚好接触分离层的边缘时,控制效果最佳;仿生翅片翼的气动性能是由翅片翼的相对位置、相对长度共同决定的,单变量的研究难以准确地解释其中的规律.     

Cu-Zn合金仿生耦合表面的疏水性能

采用模板法对Cu-Zn合金形态、结构、成分耦合表面仿生制备工艺及其疏水性能进行了研究。模板去除后,表面形成了相间密布的纳米级纯Cu突起及球形洞穴。研究表明:形态、结构、成分的仿生耦合可以使Cu-Zn合金表面由亲水转变为疏水,随着深径比ξ的增加以及水滴下固体面积分数Φs的减少,实际接触角从82.5°增加到了126.1°,实际接触角的变化服从Cassis-Baxter模型。     

仿生多孔材料吸声性能

以典型的多孔吸声材料——聚氨酯为基材,基于鸮皮肤和覆羽的多层次组织结构与形态特征设计出梯形棱纹表面、背衬空腔的单元仿生模型及梯形棱纹表面且背衬空腔的二元仿生耦合模型。参考阻抗管中吸声系数的传递函数测量法标准GBT_18696.2-2002,采用有限元法分析了不同结构聚氨酯多孔材料的吸声性能。结果表明:所有仿生模型均具有良好的吸声性能,其中,梯形棱纹表面能有效提高多孔材料中的高频吸声性能,背衬空腔能有效提高多孔材料的低频吸声性能,仿生耦合模型能够有效提高多孔材料整个频段内的吸声性能。     

形态/柔性材料二元仿生耦合增效减阻功能表面的设计与试验

通过研究水生生物在流体介质运动中,皮肤可随着流体载荷的变化而发生动态变化,并与皮下组织特有的非光滑结构形成动态耦合,形成具有特定功能的表面的现象,并依据仿生学相似原理,提出一种形态/柔性材料二元耦合功能表面设计的新思想,称之为仿生耦合功能表面(BCFS),该功能表面由不同属性的双层材料构成,利用面层材料的弹性变形以及面层材料与基底材料表面上仿生非光滑结构的耦合,对流体进行主动控制,实现增效减阻功能。探索了将这种仿生耦合功能表面(BCFS)在典型流体机械-泵上面的实现方法,并以效率为目标,进行了仿生耦合功能表面增效减阻功能的试验,试验结果表明,采用这种耦合功能表面的仿生耦合水泵,效率提高了5%以上。     

基于形态仿生的轿车升阻特性的数值模拟

受鱼类利用中央鳍/对鳍对流体介质产生扰动来增加运动稳定性的启发,本文在轿车尾部增加功能类似中央鳍/对鳍的扰流板,称之为方案一;针对其阻力增加,在方案一的基础上,在车后窗及汽车后备箱表面添加棱纹形态仿生功能表面,称之为方案二。利用数值模拟方法,对上述两种方案及原车模型在高速行驶状况下进行仿真分析,结果表明:方案一升力系数由原车的-0.06455降为-0.1516,后轮附着力增加,提高了轿车的操纵稳定性;方案二较好地梳理了尾部气流,延迟了气流的分离,与方案一比较,减阻率达到4.938%。     

仿生表面形态对齿轮动力学性能的影响

为了实现齿轮的参数化建模,在Pro/e中建立渐开线直齿圆柱齿轮轮齿模型,以工程仿生学和有限元理论为基础,运用MSC.Nastran对普通齿轮和仿生表面形态齿轮进行了瞬态频率响应分析,并通过激光雕刻技术将仿生表面形态加工在齿面上,进行实际的台架试验.试验和有限元模拟结果表明:在相同的内部激励作用下,普通齿轮和仿生表面形态齿轮的响应情况不同,其中仿生表面形态齿轮的形变量最小,可以有效地改善齿轮的动力学特性,提高齿轮的可靠性.     

柔性与形态耦合仿生抗冲蚀三维数值模拟

利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,分别对4种具有不同表面形态(光滑、凹坑形、柔性与光滑耦合、柔性与凹坑耦合)的试件的耐冲蚀性能进行了三维数值模拟,计算出冲蚀磨损过程中等效应力的变化情况,并与试验结果进行了对比.结果表明,数值模拟的试件耐冲蚀顺序依次为:柔形与凹坑耦合>柔形与光滑耦合>凹坑形态>光滑形态,该结果与...     

仿生表面形态齿轮的模态分析

在Pro/E中建立了高精度的参数化渐开线直齿圆柱齿轮模型,以工程仿生学和有限元理论为基础,运用MSC.Nastran分析了仿生表面形态齿轮的动力学性能。通过对普通齿轮和仿生表面形态齿轮进行模态分析,分别计算出了其前10阶固有频率和振型。结果表明,与普通齿轮相比,仿生表面形态齿轮各阶最大振幅更小,其固有频率明显降低,且趋势更为平稳,有效地改善了齿轮的动态特性,提高了齿轮的可靠性。     

利用雕鸮羽毛的消音特性降低小型轴流风机的气动噪声

为降低轴流风机的气动噪声,借鉴了雕鸮羽毛的消音机理,将其羽毛的消音特征以条纹结构和锯齿形态的形式,在轴流风机叶片上进行重构,设计了耦合仿生轴流风机。同时采用试验优化的方法,与原轴流风机进行了模型对比试验,研究了条纹及锯齿参数对风机叶片气动噪声的影响。结果表明,耦合仿生轴流风机具有较低的气动噪声值。在1000、1100、1200、1300和1400r/min五种转速下,耦合仿生轴流风机的A声级值最大可分别降低4.9、4.5、4.6、4.9和5.8dB。     

通孔形结构仿生试件的耐磨特性试验

基于蚯蚓体表背孔及机体耐磨特性,设计了通孔试件和普通平板试件,进行了摩擦磨损特性对比试验。试验结果表明,具有通孔结构的仿生试件有明显的耐磨效果,在润滑条件下有显著的减阻效应。结合磨损形貌、润滑状态及摩擦过程三维有限元模拟,分析了通孔结构对摩擦界面接触、润滑等摩擦因素的直接影响和对试件耐磨性的多因素耦合作用机理,为摩擦副耐磨技术的开发提供了理论基础。     

Prediction and control of trailing edge noise based on bionic airfoil

As a promising means, the passive porosity technology is used for the trailing-edge noise reduction of a bionic airfoil. The detailed two-dimensional Large Eddy Simulation is achieved to gain a better understanding of the prediction and passive control of trailing-edge noise source with the non-porous and porous treatment, respectively. The flow fields around the bionic airfoil indicate that the leading-edge separation causes both the noise contributors, i.e., the turbulent boundary layer and the vortex shedding. In addition, the effect of the porous trailing edge is substantiated in the distribution of the static pressure. The relevant noise also suggests a pronounced noise reduction potential in excess of 10 dB, but it has dependence on the flow resistivities. The two trailing-edge noise reduction mechanisms are characterized: (1) the suppression of the tonal vortex shedding noise; (2) the reduction of broadband turbulent boundary layer scattering noise. The findings may be used as reference in the design of silent aircraft.     

基于CATIA的轴流风机叶片仿生参数化建模

为解决轴流风机仿生叶片三维造型不能直接应用提取的鸟翅膀翼型问题,通过对风机叶片的几何分析,推导出叶片二维平面叶型坐标到三维空间坐标的转换关系。运用EXCEL对叶型截面各离散点进行处理得到相应的空间坐标;基于CATIA的自由曲面造型功能生成叶片曲面,再转化成实体叶片;采用FLUENT对所设计的轴流风机模型进行仿真分析,计算结果与设计要求比较吻合。     

仿生非光滑旋成体表面减阻特性数值模拟

在前期进行的仿生非光滑旋成体模型低速风洞试验的基础上,将非光滑形态在旋成体模型上的排列方式固定为矩形布置,非光滑的尺寸固定为直径或宽度为1 mm,深度或高度为0.5 mm,在风速为44 m/s时,对布置在模型尾部的凸包形、凹坑形和棱纹形三种非光滑模型与表面光滑模型进行了对比模拟试验。试验结果表明,布置在尾部的非光滑结构能够有效地降低模型的压差阻力,尤其是棱纹状非光滑形态模型,压差阻力降低了25.3%,总阻力降低了11.12%。