减阻和性能改善液压扭矩转换器具有多种生物学特性

文摘

鱼、海豚和仿生非光滑表面被雇佣在液力变矩器来实现减阻和性能改进,旨在减少档案损失,分别影响损失和摩擦损失。双涡轮变矩器,YJSW335是仿生设计精致。鱼的生物学特性包括叶片在所有四个轮子,海豚在第一涡轮和定子结构,泵和非光滑表面。仿生YJSW335的预测性能,通过计算流体动力学模拟,提高与原来的模型相比,然后它可以证明已经实现减阻。占三个因素的减阻机理也被调查。仿生设计后,转矩比和效率最高的YJSW335都是先进的,这是非常难以实现通过传统设计方法。此外,最高效率的低速区和高速区是85.65%和86.32%,分别。经济的原始和仿生动力系统匹配分析,后者可以显著降低燃料消耗,提高装载机的操作经济。

1。介绍

液力变矩器(变矩器或TC)是一种透平机,广泛应用于汽车和工程机械自动变速器。在图1(一),有双涡轮变矩器,包括四个元素,泵(P)、第一涡轮()、第二涡轮机()和定子(S),变矩器总是使用液体作为介质。涡轮机的效率是一个重要的性能参数。丹顿指出,在透平机损失被定义的熵。在液力变矩器,熵的来源主要是粘性影响的边界层(1]。变矩器包括摩擦损失、损失组件配置文件丢失,损失影响叶片的前缘。多年来,巨大的努力已经花费在试图提高液力变矩器的性能(2- - - - - -4]。这是一个关键因素来减少这些损失来实现我们的目标。变矩器的性能通常是通过液力变矩器叶片的优化改进。燕等人发现,泵的出口半径,涡轮机,定子、流体密度、出口角的定子有最显著的影响表现5]。Ejiri Kubo建立几何参数之间的关系和液力变矩器的流动损失和减少损失通过优化几何参数(6]。程等人开发了综合优化系统的变矩器CFD,能源部,RSM和其他方法集成7]。

表演,尤其是效率提高,可以达到减少损失。因此,减阻尤其是边界层流动对液力变矩器是重要的。大自然创造了减少阻力流体流动。快鱼类和鲸类在水中游泳以极大的灵活性。高效的设计本质上是一种常见的特征,许多结构用于多种目的。廖等人显示机制,游泳鱼使用环境漩涡减少运动的成本(8]。吴总结一些主要因素参与鱼运动,身体厚度等的变化身体深度,并从背涡旋脱落。一般来说,几乎所有的鱼的身体有一个对称中心平面,即焦平面。一个方案被称为焦平面奇异点的方法一直很积极地应用海军流体力学专业的船舶操纵和耐波性的研究在海浪9]。内侧拱的外壳和核心的叶片可以作为飞机就像焦平面的鱼。飞机是叶片significate液力变矩器的设计。沿着内侧拱厚度及其分布线还高度决定变矩器的性能。

事实上,鱼的流线型的身体,鲸类,叶片概要文件旨在减少损失。数据1 (b)和1 (c)显示叶片的相似性和海豚潜水的水。自然过渡发生从层流到湍流管流的雷诺数在4000附近的政权000年和500年在平板流。在灰色的海豚能量和水动力分析,海豚的尸体被描述为一个片面的平板;相应的雷诺数基于体长约20×10⁶(10]。这意味着流在海豚的身体将主要是动荡的。在液力变矩器内部流动,雷诺数不同转速尤其难以量化。在我们之前的研究中,它是可以超过10⁵;因此流动通过海豚和转矩转换器都动荡(11]。灵感来自于焦平面和厚度的鱼,它将有助于减少损失变矩器。因此可以提高效率。

另一个著名的水生动物,具有多功能皮肤快速游泳鲨鱼。结构形状的启发鲨鱼的皮肤肋条提供最大减阻的近10%。排骨的著名的商业应用是竞争的泳装。Saravi等人回顾了排骨的实验应用到航空航天,汽车,能源产业(12]。院长& Bhushan的审查,riblet-performance研究,和最佳肋条几何图形被定义。两种机制的肋条减阻是显示。首先,肋条阻碍流向涡的翻译。第二,排骨表面的漩涡和减少表面积暴露在高速流(13]。

许多种仿生非光滑表面,排骨等,已经用于工业获得成功减阻流动(14- - - - - -18]。实际上,非光滑表面主要实现减阻减少边界层的摩擦损失,也有其潜在的减阻扭矩转换器。

海豚的皮肤也被研究了减阻特性。崔和Kulik提议海豚兼容的材料表面上的物体在流体流动,取得7%的减阻(19]。此外,海豚的头部的结构与它的身体相比,有着明显的差异,有助于减少影响的损失。变矩器的叶片的前缘面临着类似的情况发生严重的影响。海豚的自然结构的头可以激发液力变矩器的设计。

正如上面提到的,水生动物实现减阻采用很多因素。因此,仿生耦合技术是工程应用发展的趋势13]。赵等人提出了一种新型的疏水模型,也符合shark-skin-inspired microriblets。这是证明了新模型是必要的和重要的解释减阻(20.]。王等人设计了一种疏水表面横向microgrooves相结合。摩擦阻力可以减少由于气泡由沟槽(21]。在这篇文章中,鱼的焦平面和厚度,非光滑表面,和海豚的头部的结构组合在一起试图实现减阻和提高液力变矩器的性能,尤其是效率。三个因素来减少损失,摩擦损失,分别和影响损失。每个因素已被证明具有积极的影响减阻。然而,考虑发表文献,这些因素或它们的组合很少应用在变矩器获得减阻。

2。耦合仿生设计基于CFD模拟

变矩器称为YJSW335采用本文是组成的双涡轮变矩器泵、第一涡轮,第二个涡轮,和定子。应该指出,许多种类的鱼和叶片参数参与设计。通常缩写为CFD计算流体动力学,是一种有效的方法在变矩器的设计和优化已被证明是由许多应用程序(22- - - - - -25),成本远低于实验。因此,在下一节中,进行了大量的计算,选择合适的生物样品和液力变矩器为每个元素结构。

2.1。Fish-Bionic

除了其焦平面和厚度,鱼的体型一直改变在游泳。鱼一样的仿生设计过程的液力变矩器叶片,入口和出口角保持不变。焦平面和厚度从鱼的身体,而不是鱼的体型,是应用于叶片。

鱼的身体数据是衡量源三维光学扫描仪(图2)。在扫描之前,胸鳍、腹鳍和尾鳍被移除。显像剂喷洒在表面,和一些小黑点也作为参考点。多角度的扫描完成,保证测量的准确性。相同的测量开始扫描另一边。最终获得了完整的三维点云数据的鱼,这是重建鱼模型导入Geomagic工作室。图3显示六个种类的鱼和相应的扫描模式。可能是粗的点形成三角形的表面。通过平滑表面质量得到了改进,填满所有的缝隙,简化和删除外部点。然后,整个表面被划分成小和四边形的网格。收购的网格区域四脸,提出了一种网格处理,以确保能代表真正的晶格表面生成的表面。之后,面对NURBS进行,安装,和合并。最后,导出为一个步骤/ IGES文件,可以导入到任何CAD / CAM系统。图4显示鲱鱼重建的过程。

仿生叶片设计过程的简要描述如下。如图5,虎鲨重建模型沿高度方向切成三个部分。内侧的部分构成了鱼的焦平面,这也被认为是内侧拱行叶片。设计叶片的厚度及其分布应提取的鱼。如图6,部分的参数,如厚度分布、曲率沿弦,和进口和出口角测量。一系列的包络圆在每一部分,这样他们切向的轮廓。厚度分布提取沿高度方向和中心圆圈构成内侧曲面的叶片。

三个部分的厚度比分布显示在图中7,在那里是和弦,是沿弦长度,横坐标是和弦比率,。纵坐标厚度比,厚度,弦长度厚度位于10%。三个部分的厚度比例几乎是相同的。最大厚度出现在弦的长度的30%。三个部分沿弦的角度表所示10%和100%,代表了进气角和出口角,分别。在表1,沿弦的长度比例,代表的角度,可以看出图的定义6。下标的数字是鱼的横截面。是夹角的变化比两个相邻和弦比率。基于角度的和弦,循环分布可以计算。循环分布法通常用于液力变矩器的叶片的设计26]。叶片设计的先决条件是循环的估计从入口到出口,它们主要决定了叶片的形状。循环叶片的分布规律主要是通过经验和实验测量。摘要仿生循环分布规律建立了从鱼类中提取特征。图8显示的值循环分布内侧弧线,规则从鲨鱼,清道夫鱼,和原来的通过多项式拟合,仿生叶片通过Matlab软件生成。

CFD模拟后,仿生叶片的YJSW335第二涡轮机组成的鲅鱼,定子叶片从鲨鱼,拾荒者的第一涡轮叶片,从鲤鱼和泵的叶片,如图9。

2.2。海豚仿生叶片

海豚仿生叶片如图10 ()。海豚叶片的主要特征是描述如下。入口模仿海豚的口中,这比传统的更薄。海豚叶片有一个凸的腹部,和传统的刀片是中空的。关于曲率分布,海豚叶片是优于传统的刀片。

图10 (b)流的比较显示根据叶片部分地区。海豚刃大大减少流横截面积的变化,特别是在前缘附近。流在整个通道横截面积是温和的;损失,因此,除了影响扩散和收缩也减少了损失,也可以被证明是平滑的曲率分布如图10 (c)。,吸力面流动部分地区被红线所示的压力面被绿线所示。海豚叶片首先被应用于涡轮和定子由于只有他们拥有飞机的部分;等其他轮子不能设计,由于制造的困难。

2.3。非光滑表面

根据非光滑表面,李et al。27)建立了数学模型的仿生表面在四个不同的安排下与球面凹痕的基本结构单元。遗传算法被用来解析生物表面凹形态。结果表明,在相同的情况下凹痕密度、矩形数组显示最好的减阻效果。数据(11日),11 (b),11 (c)显示蜣螂的表面形态,微观结构在胸部,分别和凹面的数学模型。变矩器,泵轮设计的外壳和核心表面凹痕的矩形配置。主要是考虑到以下因素:直径是1毫米;径向间距3毫米;圆周间隔5毫米;凹痕的深度是0.5毫米。核心和壳表面被显示在图12。

总之,变矩器YJSW335仿生设计,由广西柳工机械有限公司有限公司比较原始的表演和仿生变矩器,bioinspired设计被CFD仿真评估。变矩器,鱼得到了循环分布和叶片的设计中使用。鱼一样的仿生叶片组由第二涡轮机鲅鱼,定子叶片从鲨鱼,首先从清道夫涡轮和泵从鲤鱼。灵感来自头海豚,第一涡轮和定子设计成海豚结构。非光滑表面是隐含的核心和壳表面上泵。鱼的形态,海豚形状,和非光滑表面仿生集成形成了变矩器与多个生物学特性。

3所示。三个仿生耦合因素的性能预测

分离涡模拟(DES)方法采用数值计算三维流。我们之前的研究已经证实了DES方法的有效性,这是一个适当的和有效的CFD模型变矩器的性能预测。计算和实验之间的错误基本上是不到5% (11]。考虑到本文逻辑连贯性,DES湍流模型的详细计算过程不重复。

整个流道被选为计算域和混合nonstructured网格由ANSYS ICEM三角棱镜形成。图13网格显示流道,当地的四面体网格的泵壳,结构化网格dolphin-bionic通道。由于巨大的网格计算负载,只有一些凹痕的仿生壳在数值计算中选择。总网格数是1908061,泵单元号码是856464。

采用ANSYS流利的内部流场计算。在计算,假设水泵和涡轮机旋转沿准备界面根据一定的时间步长(0.0005秒)。工作介质的密度和粘度被视为常数,元素之间的泄漏被忽视了。的解决方案,质量流率的变化在两个连续的循环迭代质量和动量守恒方程被认为是和标准化残差都是小于10⁻⁴。综述了CFD模型的属性表2。

3.1。结果与讨论

Rothalpy来定量评估损失。这将是一个理想的流的一个常量。然而,对于粘性流的区别两个点在同一行代表了水力损失。它被定义为 在哪里,,,,是Rothalpy、压力、密度、相对速度和圆周速度。

Rothalpy的变化,从入口到出口泵壳和在不同速度的比率(;它等于第二涡轮泵的转速除以),是显示在图14。横坐标代表0和1的前缘和后缘。入口区域的水力损失(0 ~ 0.2)是严重的损失造成的影响,可直接减少通过仿生设计。强大的飞机/唤醒特征包括回流和循环二次流动的关键因素主要流区域的水力损失(0.2 - -0.8)。复杂的流包括自由流流,叶片尾流,core-suction角落出口地区分离损失在机翼后缘(0.8 - -1.0)。出于这个原因,水力损失难以量化。仿生变矩器的损失明显减少Rothalpy在任何工作条件的变化与传统相比。

图15显示压力速度分布的表面上传统定子和海豚叶片在不同速度比率(SR = 0, 0.4, 0.7, 1)阻塞效应的前沿。拥有海豚的头部是显著减少。相应地,流动速度增加。压力分布的叶片前缘相对平衡。压力叶片压力面和吸力面之间的区别很明显减少任何老,这不仅可以减少损失的影响也会缓解非定常流现象,如二次流。显然,流在前缘被合理的改善。

涡是一个圆形或螺旋套流线;漩涡的核心是一种特殊类型的等值面,显示一个漩涡。标准是第二个不变的速度梯度张量,它广泛用作识别漩涡的标准。它被定义为 在哪里涡张量,是应变率张量。

也可以简化

如图16,扩散范围和漩涡的强度在进口泵都相对较大。动态运动和行为的漩涡是不规则的。通常,漩涡是由液体流动的速度梯度的流场。换句话说,速度的梯度将有助于涡发生。A和B上的涡结构仿生吩咐(图区域(16日))和传统叶片(图16 (b))相比,非光滑区域和B是相邻上游平滑的区域。如图16 (b),该地区涡B保持上游涡的流动状态是大,几乎没有变化。相比之下,速度梯度图(16日)很明显减少。由于干涉效应的非光滑表面,大规模的涡结构被打破和涡类型不再是显式的。一些小型不规则漩涡分散,从而抑制涡生成,达到抑制破裂现象,并最终减少能量损失。

关键因素评价仿生设计摘要液力变矩器的整体性能。获得的表演被显示在图17包括η(效率),TR(转矩比),分别和CF(功率)。TR是4.478 (SR = 0),这是比原来的叶片高出4.87%。此外,最高效率的低速区和高速区,分别为85.65%和86.32%,分别高于3.28%和3.16%的原来的刀片。的最高效率低和高速度超过85%,这是通过传统的设计方法很难实现。摘要仿生设计与多种生物功能大大提高了液力变矩器的性能。

提高变矩器YJSW335可以减少燃油消耗的装载机动力系统装备的时候。轮式装载机的预测模型,用于计算车辆性能,已建立在我们以前的工作(28]。经济引擎的匹配分析和原始仿生扭矩转换器,分别计算油耗也来评估性能的提高。每100公里油耗的结果在牵引和操作条件下都显示在图18。在同一牵引条件下,燃料消耗的动力系统仿生液力变矩器是4.02%低于原来的变矩器。结果表明,多个生物学特性可以显著降低燃料消耗,提高装载机的操作经济。

4所示。结论

本文提出了一个想法,减阻和性能改进可能意识到变矩器通过控制流条件根据多种生物学特性包括鱼,海豚,仿生非光滑表面。鱼一样的仿生叶片组由第二涡轮机鲅鱼,定子叶片从鲨鱼,首先从清道夫涡轮和泵从鲤鱼。灵感来自头海豚,第一涡轮和定子设计成海豚结构。非光滑表面是隐含的核心和壳表面上泵。

变矩器的整体性能明显改善由多个仿生设计。减阻的机理表明,搁浅的鱼,海豚,和仿生非光滑表面减少损失,影响损失和摩擦损失。扭矩比例和最高的效率都是先进的。最高效率的低速区和高速区为85.65%和86.32%。他们两个都超过85%,这表明仿生变矩器是在一个高水平。仿生设计也有积极的影响减少燃料消耗动力总成系统配备了仿生变矩器。

在报纸上,当我们进行内部流提出模拟液力变矩器,工作介质的密度和粘度被认为是常数,不同于实际的工作。两个元素之间的泄漏也应该计算在接下来的工作。另一个进口的问题是,应该进行实验验证仿生设计。我们注意到,许多因素参与了变矩器;然而,有限的生物系统或结构分析;因此优秀的生物结构需要探索。数学方法,如多目标优化,可以用来找到一个最优结构基于多个生物学特性。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持中国博士后科学基金会(2016 m590261)和吉林省博士后基金会。

引用

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