微流控芯片通道结构的拓扑优化研究

为了研究拓扑优化过程中非牛顿流体黏性效应对微流控芯片通道结构设计及布局的影响,针对不同流动长度设计域的"两进一出"型微通道结构,提出了拓扑结构最优设计的新思路。采用密度法分别对牛顿流体和非牛顿流体进行微流动结构拓扑优化,分析了以压力降函数和能量耗散函数这2种不同目标函数对拓扑结构的影响,比较了各个条件下的最优结构和黏性分布。对于非牛顿流体,采用改进的Cross黏性模型进行计算,结果表明:当目标函数为压力降时,非牛顿流体黏性效应在雷诺数Re为0.1(Stokes流动)时表现为进口双管的汇合点与流道长度无关,在Re为100(Navier-Stokes流动)时,非牛顿流体与牛顿流体的最优拓扑结构相似,进口管的汇合点都随着通道长度的增加而后延;当目标为最小能量耗散时,非牛顿流体黏性效应在Re为0.1时表现为流动进口角度随流道长度增加而减小,而在牛顿流体最优拓扑结构中,设计域出口处均为双管流出,其中在短管和方管中没有出现汇合点,在长管中进口双管汇合为单管后又分流形成椭圆环状结构。     

采用仿鱼形叶片的多翼离心风机性能研究

受鲹科鱼类机动游动姿态和涡流特征启发,设计了一种仿鲹科鱼体弯曲姿态的多翼离心风机用仿生叶片,采用数值模拟方法,分别研究了常规单圆弧原型叶片和仿鱼形叶片对多翼离心风机气动性能、噪声的影响。通过可视化分析发现,在仿鱼形叶片的叶道内,旋涡强度明显小于原型风机,流场分布更加均匀。仿鱼形叶片的采用有效降低了风机蜗舌处的压力脉动,减弱了叶片与蜗舌之间的非定常相互作用。风机气动噪声计算与分析结果表明,单圆弧原型叶片的风机噪声频率分布于低频声段和中频声段,而仿鱼形叶片的风机噪声频率主要集中在中频声段范围内,这表明两种风机的噪声频率分布规律和噪声传播路径不相同。数值计算结果表明,采用仿鱼形叶片的多翼离心风机气动性能明显得到改善,其中风量增加了12.5%,效率提升了5.65%,同时测点处噪声平均值下降了2.78dB。     

基于VLES模型的振动圆柱数值模拟

本文将一种VLES(Very Large Eddy Simulation)模型引入到动网格数值计算中,并验证了VLES模型用于模拟类似振动圆柱绕流的动边界问题的有效性.数值求解了不同振幅和频率下非稳态振动圆柱绕流问题.研究表明:随着振幅和激励频率的增加,绕圆柱流动涡脱离形式从2S模式转换到2P0模式,再到P+S模式.在...     

采用仿鲤科鱼C型启动构型叶片的多翼离心风机气动性能研究

受鲤科鱼类C型启动逃逸反应时高效率游动姿态及其周围涡流特征的启发,进行叶片仿生设计,以提升多翼离心风机的气动性能。首先,采用逆向工程方法获取了鲤科鱼C型启动姿态时鱼体中心线方程和水平剖面轮廓线方程,以C型启动时鱼体中弧线为基准,设计了仿生等厚叶片。其次,通过多翼离心风机气动性能数值计算和实验测试,得到了具有最佳进口安装角的仿生等厚叶片(O-BETB),采用O-BETB的多翼离心风机的风量增加了6.8%,噪声下降了0.5 dB(A)。最后,将仿生重构的鱼体流线型轮廓与O-BETB相耦合,得到仿生耦合叶片(CBB),以进一步提高多翼离心风机气动性能。结果表明：当采用CBB时,多翼离心风机的风量增大了8.3%,噪声下降了1.1 dB(A)。基于流场分析,发现具有仿生中弧线和鱼体轮廓特征的耦合叶片在前缘进口角及叶片型线具有更好的引流导向作用,叶间流道的低速分离旋涡明显小于另外两种叶轮;叶片尾缘的尾迹涡脱落引起气流不均匀性程度也最弱,有效缓解了尾流与蜗舌、蜗壳之间的非定常相互作用。通过多翼离心风机声场特性的分析,发现多翼离心风机的气动噪声主要集中在中低频段。CBB的采用,叶轮通道内分离涡被抑制,...     

仿鸟翼厚度分布特征叶片的贯流风机气动性能研究

为提升空调器用贯流风机的气动性能,降低风机功耗,受鸟类翼型结构启发,研究了仿生翼型设计对贯流风机气动性能的影响。首先分别提取具有优良气动性能的长耳鸮和海鸥翅膀展向40%处截面翼型进行仿生逆向重构,基于鸟翼厚度分布特征进行贯流风机叶片仿生设计,考虑到叶片强度和工艺条件的影响,针对设计的仿生翼型叶片进行了改型设计并应用于贯流风机中。然后采用数值模拟研究了两种仿鸟翼叶片对贯流风机内流场结构及其气动性能的影响。最后针对贯流风机的气动性能进行实验测量,验证仿生叶片设计对提升贯流风机气动性能的有效性。研究结果表明：两种仿鸟翼叶片前缘形态均能有效抑制叶轮外缘分离涡,减少叶道进口侧阻塞;两种叶片对于内圆周进口侧附面层堆积形成的二次流均有改善作用,低转速下前缘厚度变化剧烈的长耳鸮仿生叶轮表现更明显;两种仿鸟翼叶片均能增强偏心涡强度,使叶片做功能力提升,出口流速增大,叶轮效率提升。选取性能较优的长耳鸮仿生叶轮进行实验研究,与原型机相比,不同工况下采用长耳鸮仿生叶轮的整机的加权风量提升29.6 m³·h^-1;相同风量条件下,整机功率降低了3.5%。     

多翼离心风机双圆弧叶片的参数优化设计及气动性能分析

为改善多翼离心风机气动性能和噪声特性,结合双圆弧叶片具有较高流道设计自由度的特点,本文以性能较优的单圆弧叶片多翼离心风机为基础,通过CFD与实验相结合的方法对双圆弧叶片进行全参数匹配优化设计。以0 Pa静压工况下风机风量为优化目标,采用Box-Behnken响应面实验设计方法对双圆弧叶片的进口角、出口角、内外径比、拱点圆直径以及中心角进行参数方案设计,获得了46组样本空间。通过对设计参数和样本结果进行二次回归拟合,得到了双圆弧叶片参数与风量的函数关系及最优参数组合。结果表明,进口角和出口角在所有主效应中对风量的影响灵敏度最高,而进口角-出口角以及内外径比-中心角在所有交互效应中对风量的影响灵敏度最高。通过CFD和FW-H声类比方法对风机的气动性能和声场进行数值计算,计算结果表明优化风机的风量较原型风机增加了118 m³·h^-1,相对提升9.7%。优化叶片能够有效抑制叶间流道内旋涡流的生成和发展,叶片的进、出口角与气流的进、出口流动冲角吻合度更高,有效减小了叶片前缘气流冲击产生的压力脉动以及尾迹流与蜗壳的非定常相互作用。实验结果表明,优化风机功...     

水平集与灵敏度分析相结合的流体形状识别与优化方法

针对流体拓扑优化很难得到较为精确结果的问题,将水平集方法与灵敏度分析方法相结合,发展了一种可用于流动形状识别的改进水平集优化方法。为实现水平集法向速度由界面到整个水平集函数求解区域的准确扩展,首先借助快速行进法,将法向速度由流体区向固体区扩展,然后经求解偏微分方程向整个设计区域扩展。通过求解二元二次方程组提取界面,采用无需样条参数化网格重构方法实现了流体区域内网格的重新划分,从而有效提高了物理场控制方程的求解精度。对Navier-Stokes和Stokes流动形状识别问题的研究表明:所发展的方法可以直接、较准确地求出边界上的法向速度,且将界面附近的法向速度准确地沿界面的法线方向扩展到整个水平集函数求解区域;最终,通过有效处理拓扑和形状优化过程中的拓扑变化识别出目标形状。     

厨房内吸油烟机射流气幕的参数化研究

针对带有射流气幕和整流板的家用吸油烟机,采用正交试验方法,分别研究了射流速度、射流角度、射流孔宽度、整流板面积和吸油烟机风量对吸油烟机性能及其厨房内环境的影响,最终获得了能够有效控制油烟和热空气逃逸的吸油烟机气幕设计参数。结果表明:吸油烟机风量对厨房内油烟浓度和温度有重要的影响,当吸油烟机风量为10.5m3/min、整流板面积为0.22m2、射流速度为1.5m/s、射流角度为-5°、射流孔宽度为4mm时,厨房内人体舒适度最佳。     

仿长耳鸮翼型的参数化研究

以长耳鸮翼型为仿生原型,采用逆向工程方法提取鸮翼翼型下表面特征点并利用B样条曲线进行拟合建立鸮翼仿生重构模型。通过数值求解耦合Langtry-Menter SST模型的雷诺时均Navier-Stokes方程,研究了仿生翼型的前缘弧线曲率、前缘厚度、前端倾角、翼型中部下表面曲率以及尾部厚度等参数对翼型升阻比的影响,获得了一种能有效抑制大攻角下流动分离发生的仿生翼型。正交试验结果表明:翼型前缘厚度对仿生翼型的升阻比影响最大,随着翼型前缘厚度的减少,翼型升阻比增加;翼型下表面中部曲率和翼型尾部厚度均存在最优值使仿生翼型升阻比最大。     

新型可调节叶片喷嘴的结构及气动设计

本文针对低温余热能量回收透平装置设计了一种新型的可调节叶片喷嘴机构(Rotatable Vaned Nozzle,RVN),该设计具有结构新颖、可靠性高的特点.在调节结构设计的基础上,采用CFD方法对叶片喷嘴内流动特性进行了数值分析,研究了不同转动角度对喷嘴性能的影响.