CN111691500B - 一种具有仿生结构的簸箕形进水流道 - Google Patents

一种具有仿生结构的簸箕形进水流道 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有仿生结构簸箕形进水流道，包括沿进水方向依次设置的直线进口段、具有仿生结构的簸箕形转向段和仿生喇叭管整流段；所述具有仿生结构的簸箕形转向段的表面设有仿海豚皮肤脊纹结构，所述仿海豚皮肤脊纹结构自簸箕形转向段进口位置沿水流方向扩散至簸箕形转向段的后壁位置；所述仿生喇叭管整流段的结构形状为海象头部的导流结构，用于对水流进入泵装置前的流态进行整流。本发明进水流道结构能够降低了紊流在簸箕形转向段表面的堆积效果，避免了不良涡流的形成；并对喇叭管位置水流起到整流作用，提高水流进入水泵装置时的水力性能。

Description

一种具有仿生结构的簸箕形进水流道
技术领域
本发明涉及一种具有仿生结构的簸箕形进水流道，属于水利工程泵站技术领域。
背景技术
泵站进水流道按形状分为肘形进水流道、钟形进水流道和簸箕形进水流道。簸箕形进水流道相对于肘形进水流道来说，对流道的长度要求不严格；簸箕形进水流道相对于钟形进水流道来说，对流道的宽度要求不严格。且簸箕形进水流道的流道线形简单，施工方便，是一种较好的进水流道形式。
仿生技术通过借鉴在自然界中有着天然优势的生物结构解决了众多工程问题，随着仿生技术发展的日渐成熟，仿生技术在各个设计领域占据了越来越重要的地位。
海豚皮肤的非光滑表面，抑制流过表面的湍流能量，降低紊流在其表面上的堆积效果，避免尾迹涡流的形成；海象体型巨大且笨重，但其在海中游泳速度可达18—20公里／时，说明它们的体表形态可对来流产生显著的导流作用。
经检索，公开号为CN201810249884.2，名称为一种仿生智能自适应动态变构减阻材料及其制备方法，公开了一种仿生智能自适应动态变构减阻材料及其制备方法，特点是可以根据流体环境自主感知、自主适应的仿生智能自适应变构为减阻材料，但没有利用海豚的非光滑表面皮肤抑制湍流能量，降低紊流堆积的效果。
经检索，公开号为CN201621106289.6，一种泵站肘形进水流道末端整流罩，公开了一种泵站肘形进水流道末端整流罩，特点是在肘形进水流道末端布置整流罩本体，消除水流经过肘形进水流道时产生的环量，但在簸箕形进水流道的基础上增加了加工成本以及难度，增加了对进水流道施工技术的要求。针对进水流道的仿生设计较少。
发明内容
本发明的目的针对以上提出的技术问题以及借鉴生物结构在自然界中优势，提供一种具有仿生结构簸箕形进水流道。
一种具有仿生结构簸箕形进水流道，包括沿进水方向依次设置的直线进口段、具有仿生结构的簸箕形转向段和仿生喇叭管整流段；
所述具有仿生结构的簸箕形转向段的表面设有仿海豚皮肤脊纹结构中的三角形沟槽，所述仿海豚皮肤脊纹结构自簸箕形转向段进口位置沿水流方向扩散至簸箕形转向段的后壁位置；
所述仿生喇叭管整流段的结构形状为海象头部的导流结构，用于对经过设有仿海豚皮肤脊纹结构中的三角形沟槽的水流进行整流。
所述直线进口段是进水流道的第一处，所述直线进口段的进口长度L1为2.86D，所述直线进口段的宽度B1为2.5D，所述直线进口段的上部分圆弧半径R1为2.43D。
具有仿生结构的簸箕形转向段宽度B2为2.5D。
所述三角形沟槽的宽度b1为0.0084D，三角形沟槽的深度h3为0.0071D，三角形沟槽的槽肩宽度b2为0.0043D，槽肩倾斜度为30°，三角形沟槽的底部收缩面顶点与簸箕形转向段圆弧距离h4为0.014D。
所述仿生喇叭管整流段的结构包括依次设置的直线1段、圆弧1段、直线2段、圆弧2段、圆弧3段、圆弧4段；
所述仿生喇叭管整流段的进口直径为1.4D，出口直径为0.5D，直线1段倾斜角为30°，直线1段高度h1为0.038D，直线2段高度h2为0.089D，圆弧1段半径r1为0.176D，圆弧2段半径r2为0.107D，圆弧3段半径r3为0.214D，圆弧4段半径r4为0.324D，其中D为水泵叶轮直径。
采用上述技术方案，本发明所述的具有仿生结构簸箕形进水流道具有如下有益效果：
本发明通过改变簸箕形弯曲转向段表面结构为仿海豚皮肤表面结构，可以减小来流的紊流度，将绕流扰动减小甚至是抵消，降低了紊流在簸箕形转向段表面的堆积效果，避免了不良涡流的形成；通过改变喇叭口整流段结构形状为仿海象头部导流结构形状，在喇叭管位置水流起到整流作用，改善水流进入泵装置的流态，提高水流进入水泵装置时的水力性能，从而改进水泵装置的运行性能。
进一步地，本发明适用于簸箕形进水流道，对水流进入喇叭口时的流动状态进行进一步的提升，水流进入泵装置的水流速度分布均匀度、速度加权平均角度更高，水泵装置效率大幅度提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明中的仿海豚皮肤表面结构的放大图；
图4为本发明的三角形沟槽示意图；
图5为本发明的仿生喇叭口整流段线型来源图1；
图6为本发明的仿生喇叭口整流段线型来源图2；
图7为本发明的发生喇叭口整流段线型优化图；
图8为本发明的三维流体域图；以下对附图作补充说明：
1-直线进口段、2-具有仿生结构的簸箕形转向段；3-仿生喇叭管整流段。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
结合附图1-8所示，本发明实施例提供一种具有仿生结构簸箕形进水流道，包括沿进水方向依次设置的直线进口段1、具有仿生结构的簸箕形转向段2和仿生喇叭管整流段3；
所述具有仿生结构的簸箕形转向段2的表面设有仿海豚皮肤脊纹结构，所述仿海豚皮肤脊纹结构自簸箕形转向段进口位置沿水流方向扩散至簸箕形转向段的后壁位置；
所述仿生喇叭管整流段3的结构形状为海象头部的导流结构，用于对经过设有仿海豚皮肤脊纹结构中的三角形沟槽的水流进行整流。
本发明通过改变簸箕形弯曲转向段表面结构为仿海豚皮肤表面结构，可以减小来流的紊流度，将绕流扰动减小甚至是抵消，降低了紊流在簸箕形转向段表面的堆积效果，避免了不良涡流的形成；通过改变喇叭口整流段结构形状为仿海象头部导流结构形状，在喇叭管位置水流起到整流作用，改善水流进入泵装置的流态，提高水流进入水泵装置时的水力性能，从而改进水泵装置的运行性能。
作为一种优选的实施方式，所述仿生喇叭管整流段3的仿生的喇叭口管整流段的过流面积与原喇叭管整流段过流面积一致。
所述直线进口段1是进水流道的第一处，所述直线进口段1的进口长度L1为2.86D，所述直线进口段1的宽度B1为2.5D，所述直线进口段1的上部分圆弧半径R1为2.43D。所述直线进口段1用于将前池中的水流平顺地引入至流道内。
具有仿生结构的簸箕形转向段2是进水流道的第二处。所述具有仿生结构的簸箕形转向段2的表面形成多个齿，相邻的齿之间形成三角形沟槽；
具有仿生结构的簸箕形转向段2宽度B2为2.5D。
所述三角形沟槽的宽度b1为0.0084D，三角形沟槽的深度h3为0.0071D，三角形沟槽的槽肩宽度b2为0.0043D，槽肩倾斜度为30°，三角形沟槽的底部收缩面顶点与簸箕形转向段圆弧距离h4为0.014D。
仿生喇叭管整流段3是进水流道第三处。所述仿生喇叭管整流段的结构包括依次设置的直线1段、圆弧1段、直线2段、圆弧2段、圆弧3段、圆弧4段；
所述仿生喇叭管整流段3的进口直径为1.4D，出口直径为0.5D，直线1段倾斜角为30°，直线1段高度h1为0.038D，直线2段高度h2为0.089D，圆弧1段半径r1为0.176D，圆弧2段半径r2为0.107D，圆弧3段半径r3为0.214D，圆弧4段半径r4为0.324D，其中D为水泵叶轮直径。
具体以某泵站采用本发明具有仿生结构簸箕形进水流道为例，其水泵叶轮直径D为1.4m。
直线进口段1几何尺寸分布如附图1，2所示,进口长度L1为4m，直线进口段1的宽度B1为3.5m，上部分圆弧半径R1为3.4m。
具有仿生结构的簸箕形转向段2表面结构-仿海豚皮肤面结构示意图如附图3所示，具有仿生结构的簸箕形转向段2几何尺寸分布如附图1，2，4所示，具有仿生结构的簸箕形转向段2长度L2为1.28m，具有仿生结构的簸箕形转向段2宽度B2为3.5m，三角形沟槽的宽度b1为0.0118m，三角形沟槽的深度h3为0.01m，三角形沟槽的槽肩宽度b2为0.0084m，槽肩倾斜度为30°，三角形沟槽的底部收缩面顶点与簸箕形转向段圆弧距离h4为0.0042m。
仿生喇叭管整流段3的结构参考海象头部结构，如附图5所示，将海象头部对外部流体导流变成对内部流体，如附图6所示，并将其优化，如附图7所示，仿生喇叭管整流段3的尺寸分布如附图1、7所示，其进口直径为1.954m，出口直径为0.7m，直线1段倾斜角为30°，直线1段高度h1为0.053m，直线2段高度h2为0.125m，圆弧1段半径r1为0.25m，圆弧2段半径r2为0.149m，圆弧3段半径r3为0.3m，圆弧4段半径r4为0.45m。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有仿生结构簸箕形进水流道，其特征在于：包括沿进水方向依次设置的直线进口段、具有仿生结构的簸箕形转向段和仿生喇叭管整流段；
所述具有仿生结构的簸箕形转向段的表面设有仿海豚皮肤脊纹结构中的三角形沟槽，用于降低紊流堆积，所述仿海豚皮肤脊纹结构自簸箕形转向段进口位置沿水流方向扩散至簸箕形转向段的后壁位置；
所述仿生喇叭管整流段的结构形状为海象头部的导流结构，用于对经过设有仿海豚皮肤脊纹结构中的三角形沟槽的水流进行整流；
所述直线进口段是进水流道的第一处，所述直线进口段的进口长度L1为2.86D，所述直线进口段的宽度B1为2.5D，所述直线进口段的上部分圆弧半径R1为2.43D；
结构的簸箕形转向段宽度B2为2.5D；
形沟槽的宽度b1为0.0084D，三角形沟槽的深度h3为0.0071D，三角形沟槽的槽肩宽度b2为0.0043D，槽肩倾斜度为30°，三角形沟槽的底部收缩面顶点与簸箕形转向段圆弧距离h4为0.014D；
喇叭管整流段的结构包括依次设置的直线1段、圆弧1段、直线2段、圆弧2段、圆弧3段、圆弧4段；
所述仿生喇叭管整流段的进口直径为1.4D，出口直径为0.5D，直线1段的倾斜角为30°，直线1段高度h1为0.038D，直线2段高度h2为0.089D，圆弧1段半径r1为0.176D，圆弧2段半径r2为0.107D，圆弧3段半径r3为0.214D，圆弧4段半径r4为0.324D，其中D为水泵叶轮直径。
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