本文關鍵詞：沙漠條斑鉗蝎耐沖蝕特性及其仿生應用

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【摘要】：離心風機是工業(yè)生產(chǎn)中提供氣體動力的重要設備,廣泛應用于國民生產(chǎn)生活中的各個方面。離心風機在環(huán)境惡劣的工況下作業(yè)過程中,由于氣體夾雜固體顆粒會對風機葉片造成沖蝕磨損失效,因而大大降低了風機的使用壽命,進而增加了其維護成本。自然界中許多生物為人們解決工程問題提供了參考,近年來仿生學的研究受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注。本文通過仿生學的啟發(fā),尋求一種提高離心風機耐沖蝕磨損性能的新方法。 本文以沙漠條斑鉗蝎為生物模本,研究了其耐沖蝕磨損特性。通過對其背部體表進行體視顯微鏡觀察,發(fā)現(xiàn)其背部7個背板寬度從蝎子頭部到尾部依次增大,背板的寬度范圍為：2.04-3.98mm,且背板之間連接為V型槽結(jié)構(gòu)。據(jù)此,建立了仿生V型槽結(jié)構(gòu)模型。對蝎子背部進行組織切片觀察,發(fā)現(xiàn)其背部表層及內(nèi)層的組織硬度不同；對蝎子活體進行沖蝕試驗觀察,發(fā)現(xiàn)當蝎子受到砂粒沖擊時會做出蜷縮的動作；對蝎子背部體表進行逆向工程分析,發(fā)現(xiàn)其背部橫縱向均具有一定的曲率,據(jù)此,建立了無曲率仿生耦合模型和有曲率仿生耦合模型。 然后,本文對仿生模型的沖蝕磨損性能進行了研究。首先,利用FLUENT軟件對仿生V型槽結(jié)構(gòu)模型、弧型槽結(jié)構(gòu)模型、方型槽結(jié)構(gòu)模型及光滑型模型的沖蝕磨損性能進行仿真分析,結(jié)合試驗優(yōu)化設計的方法優(yōu)選出了具備最優(yōu)耐沖蝕磨損性能的仿生V型槽結(jié)構(gòu)模型。其次,對無曲率仿生耦合試樣、仿生V型槽結(jié)構(gòu)試樣及光滑型試樣進行沖蝕磨損試驗,結(jié)果表明,無曲率仿生耦合試樣具備較優(yōu)的耐沖蝕磨損性能。再次,對有曲率仿生耦合試樣、無曲率仿生耦合試樣、仿生V型槽結(jié)構(gòu)試樣及光滑型試樣的沖蝕磨損試驗進行極差分析及回歸分析：極差分析結(jié)果表明影響試樣沖蝕磨損性能的主次因素為：試樣的縱向曲率、試樣的柔性體厚度和試樣的硬質(zhì)層厚度。最優(yōu)組合為：硬質(zhì)層的厚度為2mm,柔性體厚度為5mm,試樣縱向曲率為0°通過回歸分析得到試樣的沖蝕磨損率與試樣縱向曲率、柔性體厚度及硬質(zhì)層厚度的關系式為：y=1.0621z12-4.24z1+3.02z2-0.184z22+4.3623-1.17z32-6.34。 接下來,本文對仿生試樣耐沖蝕磨損的機理進行了探討。首先,從氣體湍流、流速分布及沖蝕磨損區(qū)域劃分的角度，對仿生V型槽結(jié)構(gòu)試樣較光滑型試樣具備較優(yōu)耐沖蝕磨損性能的機理進行了探討。其次，對于無曲率仿生耦合模型耐沖蝕磨損性能V型槽模型耐沖蝕磨損性能有曲率仿生耦合模型耐沖蝕磨損性能光滑模型耐沖蝕磨損性能的試驗結(jié)果，從基于FLUENT氣體湍流及流速分布和基于LS-DYNA應力傳遞及能量緩釋的角度進行了探討。 最后，本文參照無曲率仿生耦合模型進行離心風機葉片的設計，對離心風機葉片及其仿生結(jié)構(gòu)的沖蝕磨損狀況進行了可視化研究。普通離心風機葉片壓力面的沖蝕磨損部位主要集中在前緣部位，其中，壓力面前緣靠近葉輪后盤的部位磨損較為嚴重。吸力面的沖蝕磨損部位主要集中在葉片的前緣部位，，前緣部位靠近葉輪前盤及后盤的部位均有不同程度的磨損。對于硅膠板厚度為2mm的葉片仿生結(jié)構(gòu)而言，其壓力面的后緣部位的仿生圖案中與其吸力面后緣靠近葉輪后盤的部位均產(chǎn)生了沖蝕粒子沉積的現(xiàn)象，沉積的粒子形成了一種保護層，阻礙沖蝕粒子對于材料的沖蝕磨損作用，其壓力面前緣部位及其吸力面的前緣（尤其是靠近葉輪前后盤的部位）磨損較為嚴重。對于硅膠板厚度為5mm的仿生結(jié)構(gòu)而言，同樣由于粒子沉積現(xiàn)象的存在，其壓力面的前緣部位磨損較為嚴重，吸力面的磨損幾乎貫穿于整個葉片，其中壓力面后緣靠近葉輪后盤的部位磨損程度較輕。除此之外，本文考察了葉片仿生結(jié)構(gòu)在不同硅膠板厚度及螺栓擰緊扭矩下的耐沖蝕磨損性能，并對試驗結(jié)果進行了探討。通過對試驗結(jié)果進行分析后發(fā)現(xiàn)，硅膠板厚度為2mm，螺栓的擰緊扭矩為30N·M時，葉片仿生結(jié)構(gòu)具備最優(yōu)的耐沖蝕磨損性能，在達到穩(wěn)態(tài)沖蝕磨損時，其失重量約為24mg。
【關鍵詞】：沙漠條斑鉗蝎 仿生 沖蝕磨損 仿真分析 離心風機
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG174.4;TH432
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 緒論13-23
• 1.1 研究的背景及意義13-14
• 1.2 生物功能表面仿生研究14-19
• 1.2.1 減阻降噪功能表面14-15
• 1.2.2 自清潔功能表面15-16
• 1.2.3 陷光功能表面16-17
• 1.2.4 耐磨功能表面17-19
• 1.3 離心風機葉片沖蝕磨損研究進展19-21
• 1.3.1 提高葉片的耐磨性19-20
• 1.3.2 改善葉片結(jié)構(gòu)20
• 1.3.3 選配流場輔助裝置20-21
• 1.4 本文研究內(nèi)容21-23
• 第2章 沙漠條斑鉗蝎耐沖蝕特性與仿生模型的建立23-37
• 2.1 生物原型的選取23-25
• 2.1.1 條斑鉗蝎的地理分布23-24
• 2.1.2 條斑鉗蝎的生活習性及飼養(yǎng)24-25
• 2.2 條斑鉗蝎背部形態(tài)組織分析25-33
• 2.2.1 條斑鉗蝎背部體表形態(tài)體視顯微鏡觀察25-26
• 2.2.2 條斑鉗蝎背部組織切片觀察26-28
• 2.2.3 條斑鉗蝎背部體表形態(tài)逆向工程分析28-33
• 2.3 條斑鉗蝎活體沖蝕觀察33-34
• 2.4 仿生模型的建立34-35
• 2.5 本章小結(jié)35-37
• 第3章 仿生模型沖蝕磨損性能研究37-59
• 3.1 氣/固兩相流求解方法37-40
• 3.1.1 控制方程與湍流模型37-39
• 3.1.2 控制方程的離散與求解39
• 3.1.3 離散相（DPM）的求解39-40
• 3.2 沖蝕模型40-41
• 3.3 仿生 V 型槽結(jié)構(gòu)模型沖蝕磨損性能研究41-45
• 3.3.1 仿真正交試驗設計41-42
• 3.3.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件42-43
• 3.3.3 仿真結(jié)果及分析43-45
• 3.4 仿生耦合試樣試驗研究45-56
• 3.4.1 無曲率仿生耦合試樣試驗研究45-50
• 3.4.2 有曲率仿生耦合試樣試驗研究50-56
• 3.5 本章小結(jié)56-59
• 第4章 仿生試樣耐沖蝕磨損機理分析59-75
• 4.1 仿生 V 型槽結(jié)構(gòu)模型耐沖蝕機理59-64
• 4.1.1 基于 FLUENT 的仿真分析59-61
• 4.1.2 基于沖蝕磨損形貌的分析61-64
• 4.2 仿生耦合試樣耐沖蝕機理64-72
• 4.2.1 基于 FLUENT 的氣相仿真65-66
• 4.2.2 基于 LS-DYNA 的顆粒相仿真66-72
• 4.3 本章小結(jié)72-75
• 第5章 離心風機葉片仿生結(jié)構(gòu)沖蝕磨損性能研究75-89
• 5.1 離心風機葉片沖蝕磨損試驗方案75-77
• 5.1.1 離心風機葉片仿生結(jié)構(gòu)設計75-76
• 5.1.2 離心風機葉片仿生結(jié)構(gòu)的制備76-77
• 5.2 離心風機葉片仿生結(jié)構(gòu)沖蝕磨損試驗系統(tǒng)及試驗條件77-79
• 5.3 沖蝕磨損試驗結(jié)果與分析79-87
• 5.3.1 離心風機葉片及其仿生結(jié)構(gòu)磨損可視化研究79-80
• 5.3.2 仿生結(jié)構(gòu)沖蝕磨損失重量研究80-87
• 5.4 本章小結(jié)87-89
• 第6章 結(jié)論與展望89-93
• 6.1 主要結(jié)論89-92
• 6.2 展望92-93
• 參考文獻93-103
• 導師及作者簡介103-105
• 攻讀碩士學位期間的研究成果105-107
• 致謝107

【參考文獻】

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本文編號：1113251