基于鱼体结构的仿生型液力变矩器叶片环量分配规律

刘春宝，刘长锁，马文星，杨化龙

(1.吉林大学 机械科学与工程学院，吉林，长春 130022；2.吉林大学 工程仿生教育部重点实验室，吉林，长春 130022)



基于鱼体结构的仿生型液力变矩器叶片环量分配规律

刘春宝1，2，刘长锁1，马文星1，杨化龙1

(1.吉林大学 机械科学与工程学院，吉林，长春 130022；2.吉林大学 工程仿生教育部重点实验室，吉林，长春 130022)

提出了一种基于鱼体结构的液力变矩器叶片环量分配规律.该方法利用逆向工程方法提取了鱼类体型的元素，提出了液力变矩器各叶轮叶片的仿生多项式环量分配方案，设计出了类鱼体的仿生叶片.通过采用Smagorinsky亚格子应力模型的分离涡模拟，分别对仿生叶片和原始叶片的流道模型进行了三维流场的数值计算.结果表明：通过将原始叶片的仿真预测结果与试验结果进行对比，证明了该数值模拟方法的有效性；在不改变原始叶片的重要参数的情况下，采用仿生环量分配规律设计出的仿生叶片，可以提高液力变矩器的最高效率值，最高效率可以提高1.5%. 对比分析了仿生前后的流动结构，并采用Rothalpy对比了仿生叶片与原有叶片的能量损失，结果与性能预测值相吻合，验证了研究的可行性.

仿生学；液力变矩器；环量分配；计算流体动力学

流体机械叶片设计中，确定环量Vur及分布是前提条件，其分布规律对叶片形状及性能有重要影响[1]. 传统液力变矩器叶片环量分配法：在选定的设计速比下，循环圆平面中间流线上增加相同的弧长，液流沿叶片中间流线增加相同的环量，保证流道内流动状况良好[2]．

这种理想的环量分配，跟真实的工作状态有一定的差别，叶片设计结果适应性存在不足. 雷雨龙等[3]改进了液力变矩器叶片骨线以及厚度分布等参数，以得到合理分布的流场，提高性能. 骨线的改变也就意味着环量分配规律的改变. 田华[4]提出了叶片的不等分环量规律，通过不同分配规律的泵轮、涡轮及导轮叶片组合，实现变矩器性能的调整，满足动力传动系经济性与动力性的要求. 文中作者在田华的基础上，设计了二次函数的环量分配规律，更为平缓变化过流断面，改善了流动状态．

鱼类在摆尾加速游动、转弯等状态下，躯体呈现一定的曲线形态，与很多流体机械的叶片近似. 对于水生动物，有的具有极高的推进效率，有的具有极大的爆发加速度和快速机动响应能力[5]，当前仿生研究在国际上受到高度关注，亟待开展关于飞行和游动的生物动力学和相关仿生技术的研究[6].

将鱼体流线形结构与液力变矩器叶片通过环量建立联系. 通过采集、分析鱼体的三维数据参数. 提取类似叶片、具有优异流动性能的形态，建立起相应的流线、厚度模型. 将这些鱼型体表面的曲线数据应用到叶片的设计上，提出基于鱼型体表面的新的环量分配方案，建立起叶片的厚度函数表达式，生成类鱼体结构仿生叶片. 通过鱼体机构特征提取的方法，建立仿生环量分配规律. 从流动边界层控制角度出发、生物样本众多适应性强的方法有助于提高现有叶片设计理论[7-8]．

1 鱼类形态测试与建模

为了提取形体参数，将鱼体上的鳍去掉，经显影处理后，利用光电扫描仪获得鱼类的三维点云数据.

将扫描结果导入到逆向工程处理软件进行逆向工程处理. 逆向工程处理的环节主要分为3个阶段，首先是处理扫描设备采集的点云模型，生成STL格式的封装模型，然后利用逆向工程软件Geomagic Studio进行曲面重构，然后进行NURBS 曲面处理，将生成的曲面进行拟合、合并，最后利用三维设计软件UG 提取三维实体数据. 鲅鱼、扫描模型及曲面模型如图1所示.

体高方向上，在鲅鱼的嘴附近，取截面3份，在每个截面作一系列的包络圆，使这些圆与曲面背弧及内弧相切，从中分别测量鱼型截面的弦长、最大厚度、最大厚度位置、最大弯度、进出口角度等参数进行测量，测量参数如图2所示．

图3为各截面下各处厚度与1/10处的厚度比值情况．

其中x为每1/10弦长位置的横坐标，x∈(0，c)，c为弦长. 3组截面鱼型的厚度比值分布是基本相同的，最大厚度位于弦长的3/10处，为了准确提取出其厚度分布情况，取三组截面的平均值作为鲅鱼的厚度比分布．

对三组鲅鱼截面处的中弧线曲线进行了提取，并进行多项式拟合，如图4所示为第一组拟合曲线. 拟合得到的三组曲线多项式分别为式(1)～(3). 式中，y为对应坐标处的弯度值，R2为拟合精度．

(1)

(2)

(3)

2 多项式仿生环量分配建立

根据鱼类骨线偏移角度所占比重CP值以及原始叶片进出口角度，分配出中间流线上各点的叶片倾角，在循环圆设计参数不变的情况下，提出环量分配规律，设计出中间流线类似鱼类骨线的仿生叶片．

假设将叶片中间流线均分成10份，中间流线各处的环量值计算公式为

(4)

式中：L为叶片上的环量；h为弯度；i=1时为进口，i=11时为出口；β为叶片倾角；R为循环圆中间流线上纵坐标；U为中间流线上圆周速度；vm为轴面速度.

中间各点的环量分配函数可以通过下式计算：

(5)

2.1 涡轮仿生叶片

涡轮叶片进出口角度差值较大，进口与出口厚度较小，中间厚度较大，青鱼、鲅鱼的形体恰恰符合这种要求，故以其作为仿生涡轮叶片设计的生物学参考. 常规叶片厚度较小，最厚处位于弦长的1/4处，青鱼最厚位于3/10，鲅鱼位于4/10处，鱼类厚度较常规叶片更加厚重，设计仿生叶片时，以进口端弦长1/10处的厚度与常规叶片相同. 将常规叶片的进出口角度之差，按青鱼、鲅鱼中弧线上各点的偏移角度所占比值进行分配，得到了青鱼、鲅鱼仿生叶片弦长各处的倾角值.

其中，鲅鱼进口区间内角度变化较小，中间段及出口区间变化较大，而青鱼中弧线进口段较大，中后段变化较小. 利用式(4)～(5)，对两种液力变矩器YJ315，YJSW335型的涡轮叶片进行仿生设计，得到中弧线上各等分点的环量分配值f(x)，如图5和图6所示.

通过上述环量分配函数及各自的厚度分配，利用Matlab程序生成曲线，导入到三维建模软件UG中，生成涡轮仿生叶片，两种涡轮型号的叶片形状对比如图7所示．

2.2 泵轮仿生叶片

泵轮叶片进出口角度差值较小，叶片厚度及角度分布也较小，以黄花鱼和鲤鱼进行仿生设计. 根据图8，利用式(4)～(5)，得到中弧线上各等分点的环量分配值，如图9～图10所示，黄花鱼与鲤鱼的环量所占比重基本重合，黄花鱼仿生、鲤鱼仿生、常规泵轮叶片环量分配多项次函数如下.

从上图可以看出，黄花鱼及鲤鱼的环量加载方式属于前部加载，生成的两种液力变矩器仿生泵轮叶片性能情况如图11所示.

3 混合仿生叶片性能分析

作者在文献[9]中讨论了湍流模型雷诺应力模型(RNS)、分离涡模型(DES)、大涡模拟(LES)等对液力变矩器流动与特性预测的准确性. 表明DES模型能够较好地描述流动结构和预测特性. 计算中采用计算软件Fluent进行数值模拟，离散格式选用SIMPLC离散压力修正方程，其他均为二阶迎风格式. 文中采用的DES模型基于RNGk-ε模型和LES模型，根据量纲分析，湍流含能涡的长度尺度为LDES=k3/2/ε，湍动能的k方程为

(6)

式中Gk为湍动能的生成项，被定义为

(7)

同时，Gk可以通过下式评估

(8)

式中S是速率-应变平均张量的弹性模量

(9)

在剩余的区域尤其是分离流区域，采用LES中的Smagorinsky-Lilly亚格子模型. 泵轮、涡轮绕z轴转动，泵轮转速为2 000 r/min，涡轮转速根据速比(speed ratio)施加，导轮不动，流体的内外环表面及叶片表面均施加固壁无滑移边界条件. 各个叶轮流道的进出口面计算时，泵轮与涡轮按照设定的转速以一定的时间步长(0.000 5 s)，沿网格分界面进行旋转，上下游叶轮间流动参数通过滑动网格，实时传递通量以实现变矩器湍流流动的瞬态计算．

3.1 性能预测

将泵轮仿生叶片、涡轮仿生叶片及物理原型导轮叶片组成仿生叶片组，进行性能预测. 结果如图12所示，其中SR代表液力变矩器的转矩比，CF为容量系数，TR为扭矩比，η为效率．

由图12可知，通过比较YJ315型常规叶片的仿真数据与实验数据发现，所有参数的变化趋势是一致的. 其中，启动转矩的最大误差为1.45%，容量系数的最大误差为13.86%，说明YJ315型常规叶片的数值模拟是正确的，可以作为评价叶片性能的标准. 同时，通过比较YJ315型常规叶片的仿真数据与仿生叶片数据发现，YJ315型仿生叶片组容量系数下降了10%；启动变距比从2.87升高到2.93，启动转矩增大，提升了整车的加速性能；最高效率从81.59%升高到82.87%，提高了其工作效率，增加了传动系统的效率．

YJSW335启动扭矩比上，仿生叶片组从4.27升高到4.45，在低转速比与高转速比区间的最高效率值分别为83.16%， 84.67%，提高的数值分别为1.19，1.51个百分点，在速比0.6工况下，最低效率从64.18%提高到67.39%，泵轮容量系数CF仿生叶片组变化较小．

综上所述，相比于原有变矩器，两组仿生型液力变矩器的启动扭矩与最高效率都有所增大，说明叶片的仿生设计可以减小其液力损失，具有良好的减阻增效效果，提高其工作效率，改善了整机的工作性能.

3.2 内流场分析

图13为在两种不同工况下，YJSW335型导轮平面(Y=0.085 m)上的压力云图与流线图. 对于YJSW335型液力变矩器的原始叶片与仿生叶片，在同一工况下，其导轮平面(Y=0.085 m)上的压力分布与液流方向分布变化很小，说明通过仿生环量分配规律设计的仿生叶片组能够很好地保证液力变矩器的良好特性. 随着SR值的增大，导轮流道中的压力梯度逐渐减小，趋于缓和，来自涡轮的液流对导轮的冲击方向也在不断变化. 同样，对于YJ315型液力变矩器，在SR=0工况下，导轮叶片表面发生了流动分离，产生旋涡，但仿生叶片的流动分离程度小于原始叶片. 在SR=0.7工况下，叶片入口处的压力分布上，仿生叶片也要好于原始叶片．

图14为YJ315型仿生叶片组内部泵轮，涡轮流道，在3种速比下由进口到出口上的Rothalpy分布值. 以泵轮为例，采用Rothalpy值评价两种元件的液力损失[10]. 随着速比的上升，流道内部Rothalpy值将会变的平缓，说明泵轮内部的液力损失在不断降低. 由于入射流冲击引发的冲击损失是进口段(0～0.2)Rothalpy值迅速下降的原因，这部分值大概占整体的能量损失的20%；在中间区域上(0.2～0.8)，复杂的流动状况包括回流、二次流是造成Rothalpy值在此区间内逐渐降低的主要原因；而叶片尾流与吸力面流动分离是出口区域(0.8～1.0)Rothalpy值下降的主要因素. 通过两种叶片的Rothalpy值比较可知，泵轮仿生叶片前缘的不等厚的结构，使得冲击损失减小. 同时，仿生叶片中间及出口区域基于二次环量分布的结构，使得流动状况相对好转，液力损失降低.

4 结 论

随着仿生学的不断发展，越来越多的学者们将仿生学原理运用到流体机械领域，用于减阻增效. 文中在这一背景下，将鱼类形体仿生融入到液力变距器中，在不改变原有叶片的重要参数如进出口角度、叶片数、叶片倾角的情况下仅仅是依据鱼类形体数据仅改变叶片的厚度及中间流线分布，就能提升现有的液力变矩器效率. 文中借助具有优良的减阻机制，较小流动阻力的流线型的鱼类形体，可以开发出更具高效率性能的仿生叶片．

文中利用三维扫描仪分别测量了4种鱼类的体型数据，利用从中提取到的厚度及中间流线的曲率分布，设计出的两种型号的液力变矩器泵轮与涡轮仿生叶片，经过CFD 数值计算，最高效率都可以提高1.5%. 同时启动变距比也有上升. 说明了鱼型仿生用于变矩器叶片设计的优越性．

文中测量的鱼类种量较少，更具减阻效果、游动更加强劲的鱼类生物特别是海洋生物也应该被考虑. 由于现有观测技术的限制，作者是将鱼类头部及尾部自然的摆动一定角度，冷冻后测量的. 如果能够利用到三维全息照相技术，在鱼类自由游弋时观测提取到的数据，相对而言将会更加的准确．

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Lei Yulong， Ge Anlin， Tian Hua， et al. Amending redesign of torque converter blade on internal flow field simulation [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2006，42(2)：125-128. (in Chinese)[4] 田华.液力变矩器现代设计理论的研究[D].长春：吉林大学，2005．

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(责任编辑：孙竹凤)

Circulation Distribution of Bionic Blades from Hydraulic Torque Converter Based on Fish Bodies

LIU Chun-bao1，2，LIU Chang-suo1，MA Wen-xing1，YANG Hua-long1

(1.College of Mechanical Science and Engineering， Jilin University， Changchun, Jilin 130022， China; 2.Key Laboratory of Bionics Engineering of Ministry of Education， Jilin University， Changchun, Jilin 130022， China)

A circulation distribution of bionic blades from hydraulic torque converter was established based on fish bodies. The reverse engineering was used to extract fish bodies’ elements, and circulation distribution schemes of every impeller blade were proposed and then bionic blades models were established. A detached eddy simulation based on Smagorinsky sub-grid stress model was adopted to numerically calculate three-dimensional flow fields of channel models for bionic blades and original blades respectively. Finally, the results reveal that the numerical simulation is effective through comparative analysis of simulation and experiment results from original blades; bionic blades designed from bionic circulation distribution possessing excellent drag reduction performance can increase the highest efficiency in the case that the major parameters of original blades don’t be changed. The highest efficiency can be increased by 1.5 percent from original hydraulic torque converter; the flow conditions of bionic and original fields were analyzed contrastively. The Rothalpy was used to compare energy loss of two kinds of blades. The results agree with predicted values. It also shows the bionic method is feasible and valid for blades designing.

bionics; hydraulic torque converter; circulation distribution; computational fluid dynamics

2015-05-15

国家“八六三”计划项目(2014AA041502)

刘春宝(1980—)，男，博士，副教授，E-mail:liuanbc@126.com.

马文星(1962—)，男，博士，教授，E-mail:mawx@jLu.edu.cn.

TH 137.332

A

1001-0645(2016)09-0887-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.09.002