受座头鲸胸凸结构启发的仿生设计及航空发动机叶片的优化

《Scientific Reports》：Biomimetic design and optimization of aero-engine blades inspired by humpback whale tubercles

　　

摘要

本研究旨在优化涡轮动力模拟器风扇叶片的性能，通过借鉴座头鲸胸鳍突起的仿生结构对长春科技大学设计的原始叶片翼型进行了改进，以在提升空气动力学性能的同时分析其结构强度。采用Python编程实现了由三个控制点控制的二次曲线仿生叶片的形成过程。利用有限元方法求解了叶片的静态空气动力弹性特性，并通过基于节点的有限体积法结合S-A湍流模型及LU-SGS时间离散化方法对非定常可压缩N-S方程进行了数值计算。在整个计算过程中采用了流体-结构耦合策略进行迭代分析。结果显示，仿生叶片的最大变形与叶片直径的比值从0.306%降至0.239%，表明仿生叶片的强度得到了理论上的提升。优化后，单通道流量增加了4.09%，压力比提升了4.85%，叶片效率从67.014%提高至89.861%（同时优化了风扇密封性能）。仿生结构有效抑制了气流分离和涡流损耗，使得压力、温度及马赫数分布更加均匀，并减少了流动损失。研究结论表明，座头鲸胸鳍突起的仿生设计能够显著提升风扇叶片的空气动力学性能，未来还需进一步进行结构优化以增强叶片的刚度和使用可靠性。