[发明专利]大型冷却塔风机叶片高逼真、非均一型仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型冷却塔风机叶片高逼真、非均一型仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，更特别地说，是指根据风机叶片不同径向区域线速度的不同进行高逼真、非均一型仿鲨鱼盾鳞沟槽微结构的差别化设计以实现高效仿生减阻降噪的方法，属于工程仿生技术领域。

背景技术

神奇的自然生物为人类解决工程问题提供了许多学习范例。以“鲨鱼皮效应”著称的鲨鱼是生物进化的成功典范，目前已知的“鲨鱼皮效应”耦合了减阻、降噪、脱附、防护等多种生物机能，而鲨鱼表皮盾鳞的微米级沟槽结构是促成“鲨鱼皮效应”的重要结构要素，近年来人们开始将仿鲨鱼盾鳞沟槽微结构应用于飞机、舰船、潜艇等多种大型装备的设计，以解决某些工程实际问题。

工业冷却塔是化工、石化、钢铁、电力等众多行业中普遍使用的一种循环冷却装置，冷却塔风机是整个冷却塔的核心，其作用是实现低温空气与热水在填料上的充分热交换，从而保证冷却塔的降温效果。近年来，冷却塔的大型化已成为企业降低生产成本的重要途径之一，所配套的冷却塔风机亦随之向大型化方向发展，目前已知的大型冷却塔风机其直径多在8m以上。然而，大型冷却塔风机在运转时的风阻消耗及噪声问题则显得尤为严重。风阻过大将增大电力消耗、降低冷却效率，噪声过大除了造成噪音污染，还会引发振动疲劳甚至设备故障，因而对大型冷却塔风机叶片进行针对性地减阻降噪设计，已成为冷却塔节能降耗、环境保护、提高设备可靠性及使用寿命的重要保障。减阻的同时也意味着降噪，具有减阻降噪功能的鲨鱼皮为大型冷却塔风机叶片设计提供了生物范例。有关转子叶片减阻降噪的研究已有报道。例如，申请号为10/802568的美国专利公开了一种采用简化型“U”形沟槽设计以模拟鲨鱼皮沟槽微结构的风力发电机叶片，可以实现噪声及阻力的有效控制。

然而，现有的低逼真度、均一型仿鲨鱼表皮微结构对于大型转子型运动部件的减阻降噪仍存在较大的改进空间。原因在于：研究表明，一方面沟槽截面形状以及沟槽宽度是决定“鲨鱼皮效应”的重要结构要素，所设计的仿鲨鱼沟槽微结构其逼真度越高，则仿生减阻降噪的实际效果越显著；另一方面为了达到最佳减阻效率，不同的速度均对应一个最佳的沟槽宽度。而对于大型冷却塔风机叶片而言，其正常运转时不同径向位置区域的线速度各不相同，甚至差别较大，若简单的采用低逼真度、均一型仿鲨鱼盾鳞沟槽微结构设计，显然无法在径向不同位置区域同时实现高效的减阻降噪效果，且对于整机可靠性及寿命的提高亦较为有限。专家指出，在针对大型转子叶片进行减阻降噪结构设计时必须考虑“以翼弦为特征长度的雷诺数在转子径向方向是变化的”这一重要事实。因此，若要在大型冷却塔风机叶片上实现高效率、高可靠性的减阻降噪设计，进行差别化的高逼真、非均一型仿生微结构设计势在必行。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种大型冷却塔风机叶片高逼真、非均一型仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，以解决上述技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

大型冷却塔风机叶片高逼真、非均一型仿鲨鱼沟槽微结构的设计方法，包括以下步骤：

第一步：冷却塔风机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，将每个风机叶片正反两面由叶尖到回转中心方向上一定范围内的径向表面虚拟地分成若干分区，各分区间的虚拟分界线与风机叶片的回转轨迹保持一致；

（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，依次提取经（A）步骤划分的各分区径向中心位置处中心翼弦的弦长值；

（C）根据冷却塔风机叶片的设计额定转速及叶片尺寸，提取各分区径向中心位置处的回转半径作为该分区中心翼弦的回转半径，进而依次计算各分区中心翼弦的线速度；

第二步：叶片各虚拟分区最佳沟槽宽度流体计算

（A）根据第一步计算出的各分区中心翼弦线速度，并以各分区中心翼弦弦长值作为几何特征长度，按照公式1计算各分区叶片的雷诺数R_e，式中V为中心翼弦线速度，L为中心翼弦几何特征长度，为空气介质密度，μ为空气介质动力粘度；

（1）

（B）根据经（A）步骤计算出的各分区叶片雷诺数R_e的数值范围，按照史里希丁公式2计算叶片湍流边界层的摩阻系数C_f；