[发明专利]具有椭圆形凹槽内表面的仿生减阻排气管

说明书

技术领域

本发明属于仿生非光滑表面设计与汽车零部件制造技术领域，尤其涉及具有椭圆形凹槽内表面的仿生减阻排气管。

背景技术

从20世纪70年代开始，降低阻力、减少能源消耗一直是人类追求的目标。减阻技术不仅具有非常重要的军事价值，而且在汽车、船舶、飞机、农业机械、体育运动等诸多领域都有广阔的应用前景。

随着汽车对发动机性能要求的日益提高，对汽车排气系统的设计要求也越来越高。发动机排气系统与燃烧室的排气口连接在一起，废气经由排气歧管及排气管排出，并且高温高压的废气经过排气系统能使排放时产生的噪音降低。排气管流动性能的优劣对排气压力波脉冲的利用以及增压器的响应特性有着至关重要的影响；设计出性能优良的排气管，并将其实现完美匹配，可使发动机在一定转速范围内获得以下收益：充气量得到增加、功率得到提高、扭矩特性得到改善、燃油消耗率和烟度得以降低。

排气管的流动压力损失大小是影响发动机性能的一项重要指标。然而表面摩擦阻力是影响排气管内部流通特性的主要因素，而且在汽车的总阻力中占有很大比例。减少排气系统的流动阻力，就可以降低残余废气系数，减少泵气损失，提高指示功率和排放效率。因此，无论是在理论上还是在实践中，减小汽车排气管的表面摩擦阻力，对降低燃油消耗、减少环境污染的重要意义是毋庸置疑的。

武汉科技交通大学的陆小明等人对EQ6100汽油机进排气系统进行测试与分析，并利用进排气管道气体动力效应对进排气系统作多方案改进设计。试验结果表明，合理设计进排气系统可有效地提高发动机扭矩，降低燃油消耗率。广西玉柴机器股份有限公司技术中心的李湘华、张小娇通过建立、柴油机排气歧管的三维结构模型，应用计算流体动力学软件分析歧管流场，描述了排气管中的典型流动，并根据计算结果对排气歧管进行了优化。优化后的排气歧管模型内腔容积减小，管内部分漩涡消失，流通阻力减小，各缸流量均匀性提高。天津大学的陈征等人通过台架试验与软件模拟证明排气管结构是影响柴油机各缸排气温度有差异的主要因素，并通过增大排气管出口接管弯曲部分的流通面积，使排气管内背压减小，改善了排气均匀性。河南科技大学的马志豪等人利用AVLBOOST对排气歧管进行一维不稳定流动模拟计算，通过改变排气歧管长度来减小排气时的相互干扰，降低了残余废气系数，提高了发动机充气效率。由此可见，为提高汽车排气管的减阻性能，排气管优化方面的研究主要是从排气管的结构、形状、长度等方面展开的。

生物经过亿万年不断的自适应、自学习、自重构、自繁殖而不断进化，它不仅包含机体对外界介质的即时调控，同时还包含自身经过长期进化形成的已相当稳固的对外界环境的适应性，进而形成适合其自身生存的表面外形结构。例如：水生动物鲨鱼表皮均匀排布的V型沟槽非光滑结构可大大减小其在水下高速游动的阻力；贝类生物壳体上的非光滑环状波纹结构可以减小水流对壳体表面产生的摩擦阻力；信鸽等鸟类羽翼表面上羽枝和羽轴构成凹陷沟槽有利于减小其振翅飞行中产生的空气漩涡阻力。利用上述发现，研究人员通过改变表面形体结构特征技术，对流体减阻做了大量的研究工作，如采用与鲨鱼鳞片具有相似结构的沟槽表面减阻，使用与海豚表皮相似弹性特征的柔性表面减阻，利用仿照飞行动物表面设计的非光滑表面减阻等都是仿生减阻研究的重要成果。在现有的减阻技术中，仿生减阻技术通过模拟生物在进化过程中获得的某些减阻特征，得到了很好的减阻效果，具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有椭圆形凹槽内表面的仿生减阻排气管，该排气管能够减小排气系统内空气的流动阻力，降低残余废气系数，减少泵气损失，进而提高了指示功率和排放效率。

为了解决上述技术问题，本发明的具有椭圆形凹槽内表面的仿生减阻排气管，其内壁上分布有椭圆形凹槽，椭圆形凹槽的长轴a为3mm-15mm，短轴b为2mm-10mm，椭圆形凹槽的深度h为0.5mm-1.5mm，两相邻椭圆形凹槽的周向夹角α为15°-60°，轴向距离s为4mm-22mm。

所述椭圆形凹槽呈相互交错式排列。

所述椭圆形凹槽的长轴沿横向分布，短轴沿纵向分布。

所述椭圆形凹槽在任意位置上的深度均等。

所述椭圆形凹槽长轴与短轴的比值为a/b＝3/2。

本发明基于飞行动物信鸽和长耳鸮等鸟类羽翼表面上羽枝和羽轴构成凹陷沟槽具有减小其振翅飞行中产生的空气漩涡阻力的特殊形态结构，通过大量实验最终提炼出设置于排气管内壁上的椭圆形凹槽仿生减阻结构表面。