マイクロ構造表面を有するバイオニックファンブレードの空力性能に関する研究

科学分野:

• 流体力学
• 空気力学
• バイオニクス

背景:

• インペラ機械ブレードの摩擦抵抗は、効率に大きく影響します。
• サメ肌にインスパイアされたマイクロ構造は、抗力低減のための有望なアプローチを提供します。
• 3D曲面へのマイクロ構造の製造は、工学的課題を提示します。

研究 の 目的:

• 小型軸流ファンのバイオニックマイクログルーブ表面の抗力低減法則を調査すること。
• ファンブレード表面のバイオニックマイクロ構造の最適な寸法を決定すること。
• 生体模倣表面工学を通じて、空力性能と効率を向上させること。

主な方法:

• 実験計画法（DOE）と高精度数値シミュレーションを組み合わせました。
• 定常状態（k-ωモデル、simpleFoam）および非定常（Large Eddy Simulation、pimpleFoam、WALE）シミュレーションを利用しました。
• 溝付き平板データに基づいたスプレーコーティングプロセスを使用して、マイクロ構造化された表面を製造しました。

主要な成果:

• 無次元高さh+および幅s+の範囲8.50-29.75のマイクログルーブは、効果的な抗力低減を達成しました。
• バイオニックファンブレードは、軸動力消費量が大幅に削減されました。
• 静圧効率は、マイクロディンプルで2.33％、マイクログルーブで3.46％増加しました。

結論:

• バイオニックマイクロ構造表面は、軸流ファンの抗力を効果的に低減し、空力性能を向上させます。
• 提案されたスプレーコーティング製造方法は、バイオニック抗力低減技術の工学的応用を容易にします。
• この研究は、バイオミミクリーを通じてターボ機械の効率を向上させるための道筋を提供します。