一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头及设计方法

本发明涉及管路系统流致振动控制，具体涉及一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头及设计方法。

背景技术：

1、核电站主蒸汽管道、化工输送管路、船舶压载管路等大型管路系统中，弯头是最常见的管路构件之一。当高速流体流经弯头时，由于流动方向改变，流体受到离心力作用，在弯头外侧形成高压区、内侧形成低压区，并诱导产生复杂的二次流漩涡。同时，弯头处的流动分离和湍流脉动会激发强烈的壁面压力脉动，当压力脉动频率接近管路结构固有频率时，将引发流致共振，严重时可导致管道疲劳断裂、支撑失效等安全事故。

2、现有弯头减振技术主要包括：增加壁厚、增设加强筋、安装阻尼器等被动控制措施，以及主动控制系统。这些方法存在以下不足：

3、（1）增加壁厚和加强筋虽能提高结构刚度，但会显著增加系统重量和制造成本；

4、（2）阻尼器安装空间受限，且对高频脉动抑制效果有限；

5、（3）主动控制系统需要外部能源，可靠性较低。

6、仿生学研究发现，鲨鱼皮肤表面覆盖着微米级的沟槽结构，这种结构能够有效抑制近壁区湍流拟序结构的展向运动，将流向涡抬升至沟槽尖端上方，从而降低壁面剪切应力和压力脉动。现有研究表明，鲨鱼皮仿生沟槽在平板和直管中可实现最高约10%的减阻效果。

7、然而，现有研究主要集中在减阻领域，对振动抑制效果关注不足；且针对弯头这种具有复杂二次流特征的几何结构，尚未建立系统的基于仿生鲨鱼皮的管路弯头及设计方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头及设计方法以解决上述问题。

2、本发明提供如下技术方案：

3、一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头的设计方法，包括以下步骤：

4、基于湍流边界层理论计算弯头处壁面流动特征参数；

5、引入无量纲沟槽间距和无量纲高度，并结合弯头处壁面流动特征参数，确定微沟槽的几何参数；

6、根据弯头曲率和/或黏性底层厚度对微沟槽的几何参数进行修正；

7、验证减振性能。

8、优选的，微沟槽的减振效果通过壁面压力脉动均方根值的降低来表征。

9、优选的，验证减振性能包括：

10、对比光滑弯头与带微沟槽弯头的壁面压力脉动频谱，计算各频段的压力脉动抑制率，验证减振效果。

11、优选的，采用有限体积法对带微沟槽的弯头管路进行瞬态流场计算，湍流模型选用sst-模型，对应的无量纲壁面距离，需满足 sst湍流模型对的要求，从而能够准确解析黏性底层内的速度梯度，计算得到的壁面压力脉动时程通过快速傅里叶变换获得频谱特性。

12、优选的，弯头处壁面流动特征参数包括雷诺数、壁面剪切应力、壁面摩擦速度和黏性底层厚度。

13、优选的，微沟槽的几何参数包括微沟槽间距、高度和尖端厚度；其中，无量纲沟槽间距取值1215；高度与微沟槽间距的比值；尖端厚度与微沟槽间距的比值。

14、优选的，微沟槽的几何参数进行修正包括：

15、通过曲率修正系数对高度进行修正；和/或

16、根据黏性底层厚度对弯头周向不同位置的沟槽物理间距和高度进行周向差异化缩放修正。

17、优选的，曲率修正系数：

18、

19、其中，为经验系数，取值0.2-0.5；为弯头内径；为弯头曲率半径。

20、优选的，以弯头弯曲平面为参考面，取弯头任一垂直于管路轴线的横截面，定义指向弯头内侧，指向弯头外侧，指向弯头顶部，或指向弯头底部，基于此定义黏性底层厚度的修正因子，通过修正因子对微沟槽间距和高度进行周向差异化缩放修正：

21、：=；

22、：=；

23、弯头顶部和底部的其余位置：=。

24、一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头，采用所述的一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头的设计方法设计所得。

25、本发明具有如下有益技术效果：

26、本发明通过鲨鱼皮微沟槽结构干预近壁湍流，将流向涡抬升至沟槽尖端上方，有效降低壁面压力脉动幅值。经理论估算和数值验证，压力脉动抑制率可达5%–8%，对应流致振动响应降低约6%–10%。

27、建立了基于壁面摩擦速度和黏性底层厚度的沟槽尺寸计算公式，该方法可快速适配不同工况，无需依赖大规模数值仿真。

28、周向差异化布置：针对弯头外侧、内侧、顶部不同的流动特性，分别确定沟槽几何参数，实现“按需减振”，避免不必要的阻力增加和制造浪费。

29、工程实用性强：鲨鱼皮微沟槽在微米量级（10 μm-50 μm），可采用高精度 3d 打印或激光刻蚀技术制造，无需改变管路主体结构，对现有管路系统改造方便。

30、无量纲化设计：引入、等无量纲参数，使本方法可推广至不同介质（水、油、气体）和不同工况（流速、温度变化），具有广泛适用性。

1.一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头的设计方法，其特征在于，微沟槽的减振效果通过壁面压力脉动均方根值的降低来表征。

3.根据权利要求2所述的一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头的设计方法，其特征在于，验证减振性能包括：

4.根据权利要求3所述的一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头的设计方法，其特征在于，采用有限体积法对带微沟槽的弯头管路进行瞬态流场计算，湍流模型选用sst -模型，在近壁面区域，需满足 sst湍流模型对的要求，从而能够准确解析黏性底层内的速度梯度，计算得到的壁面压力脉动时程通过快速傅里叶变换获得频谱特性。

5.根据权利要求1所述的一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头的设计方法，其特征在于，弯头处壁面流动特征参数包括雷诺数、壁面剪切应力、壁面摩擦速度和黏性底层厚度。

6.根据权利要求1所述的一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头的设计方法，其特征在于，微沟槽的几何参数包括微沟槽间距、高度和尖端厚度；其中，无量纲沟槽间距取值1215；高度与微沟槽间距的比值；尖端厚度与微沟槽间距的比值。

7.根据权利要求6所述的一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头的设计方法，其特征在于，微沟槽的几何参数进行修正包括：

8.根据权利要求7所述的一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头的设计方法，其特征在于，曲率修正系数：

9.根据权利要求7所述的一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头的设计方法，其特征在于，以弯头弯曲平面为参考面，取弯头任一垂直于管路轴线的横截面，定义指向弯头内侧，指向弯头外侧，指向弯头顶部，或指向弯头底部，基于此定义黏性底层厚度的修正因子，通过修正因子对微沟槽间距和高度进行周向差异化缩放修正：

10.一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头，其特征在于，采用权利要求1-9任一所述的一种基于仿生鲨鱼皮的管路弯头的设计方法设计所得。