具有橢圓形凹槽內表面的仿生減阻排氣管的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于仿生非光滑表面設計與汽車零部件制造技術領域，尤其涉及具有橢圓形凹槽內表面的仿生減阻排氣管。
【背景技術】
[0002]從20世紀70年代開始，降低阻力、減少能源消耗一直是人類追求的目標。減阻技術不僅具有非常重要的軍事價值，而且在汽車、船舶、飛機、農業機械、體育運動等諸多領域都有廣闊的應用前景。
[0003]隨著汽車對發動機性能要求的日益提高，對汽車排氣系統的設計要求也越來越高。發動機排氣系統與燃燒室的排氣口連接在一起，廢氣經由排氣歧管及排氣管排出，并且高溫高壓的廢氣經過排氣系統能使排放時產生的噪音降低。排氣管流動性能的優劣對排氣壓力波脈沖的利用以及增壓器的響應特性有著至關重要的影響；設計出性能優良的排氣管，并將其實現完美匹配，可使發動機在一定轉速范圍內獲得以下收益:充氣量得到增加、功率得到提高、扭矩特性得到改善、燃油消耗率和煙度得以降低。
[0004]排氣管的流動壓力損失大小是影響發動機性能的一項重要指標。然而表面摩擦阻力是影響排氣管內部流通特性的主要因素，而且在汽車的總阻力中占有很大比例。減少排氣系統的流動阻力，就可以降低殘余廢氣系數，減少栗氣損失，提高指示功率和排放效率。因此，無論是在理論上還是在實踐中，減小汽車排氣管的表面摩擦阻力，對降低燃油消耗、減少環境污染的重要意義是毋庸置疑的。
[0005]武漢科技交通大學的陸小明等人對EQ6100汽油機進排氣系統進行測試與分析，并利用進排氣管道氣體動力效應對進排氣系統作多方案改進設計。試驗結果表明，合理設計進排氣系統可有效地提高發動機扭矩，降低燃油消耗率。廣西玉柴機器股份有限公司技術中心的李湘華、張小嬌通過建立、柴油機排氣歧管的三維結構模型，應用計算流體動力學軟件分析歧管流場，描述了排氣管中的典型流動，并根據計算結果對排氣歧管進行了優化。優化后的排氣歧管模型內腔容積減小，管內部分漩渦消失，流通阻力減小，各缸流量均勻性提高。天津大學的陳征等人通過臺架試驗與軟件模擬證明排氣管結構是影響柴油機各缸排氣溫度有差異的主要因素，并通過增大排氣管出口接管彎曲部分的流通面積，使排氣管內背壓減小，改善了排氣均勻性。河南科技大學的馬志豪等人利用AVLB00ST對排氣歧管進行一維不穩定流動模擬計算，通過改變排氣歧管長度來減小排氣時的相互干擾，降低了殘余廢氣系數，提高了發動機充氣效率。由此可見，為提高汽車排氣管的減阻性能，排氣管優化方面的研究主要是從排氣管的結構、形狀、長度等方面展開的。
[0006]生物經過億萬年不斷的自適應、自學習、自重構、自繁殖而不斷進化，它不僅包含機體對外界介質的即時調控，同時還包含自身經過長期進化形成的已相當穩固的對外界環境的適應性，進而形成適合其自身生存的表面外形結構。例如:水生動物鯊魚表皮均勻排布的V型溝槽非光滑結構可大大減小其在水下高速游動的阻力；貝類生物殼體上的非光滑環狀波紋結構可以減小水流對殼體表面產生的摩擦阻力；信鴿等鳥類羽翼表面上羽枝和羽軸構成凹陷溝槽有利于減小其振翅飛行中產生的空氣漩渦阻力。利用上述發現，研究人員通過改變表面形體結構特征技術，對流體減阻做了大量的研究工作，如采用與鯊魚鱗片具有相似結構的溝槽表面減阻，使用與海豚表皮相似彈性特征的柔性表面減阻，利用仿照飛行動物表面設計的非光滑表面減阻等都是仿生減阻研究的重要成果。在現有的減阻技術中，仿生減阻技術通過模擬生物在進化過程中獲得的某些減阻特征，得到了很好的減阻效果，具有重要的工程應用價值。

【發明內容】

[0007]本發明要解決的技術問題是提供一種具有橢圓形凹槽內表面的仿生減阻排氣管，該排氣管能夠減小排氣系統內空氣的流動阻力，降低殘余廢氣系數，減少栗氣損失，進而提尚了指不功率和排放效率。
[0008]為了解決上述技術問題，本發明的具有橢圓形凹槽內表面的仿生減阻排氣管，其內壁上分布有橢圓形凹槽，橢圓形凹槽的長軸a為3mm-15mm，短軸b為2mm-10mm，橢圓形凹槽的深度h為0.5mm-l.5mm，兩相鄰橢圓形凹槽的周向夾角α為15° -60°，軸向距離s為4mm-22mm0
[0009]所述橢圓形凹槽呈相互交錯式排列。
[0010]所述橢圓形凹槽的長軸沿橫向分布，短軸沿縱向分布。
[0011]所述橢圓形凹槽在任意位置上的深度均等。
[0012]所述橢圓形凹槽長軸與短軸的比值為a/b = 3/2ο
[0013]本發明基于飛行動物信鴿和長耳鸮等鳥類羽翼表面上羽枝和羽軸構成凹陷溝槽具有減小其振翅飛行中產生的空氣漩渦阻力的特殊形態結構，通過大量實驗最終提煉出設置于排氣管內壁上的橢圓形凹槽仿生減阻結構表面。
[0014]本發明的突出優點在于:利用橢圓形凹槽自身結構改變流體在接觸表面的流動場，非光滑表面凹槽內部氣流與外部氣流形成了氣墊效應，旋轉氣流起到了類似于“滾動軸承”的作用，將流體沿近壁面的滑動摩擦變為了滾動摩擦，減小了流體通過壁面時的摩擦阻力。凹槽內氣流與外部氣流的“氣一氣接觸”，導致近壁區湍流強度減小，進而減小壁面湍流猝發產生的脈動壓力，抑制壁面渦脫落的頻率，降低了壁面摩擦阻力。達到減小排氣系統內空氣的流動阻力的效果，就可以降低殘余廢氣系數，減少栗氣損失，使得發動機的指示功率和排放效率大大提高。具有非光滑結構的耦合表面，能夠改變運動物體與流體的接觸、流動和脫離過程中的流體力學和空氣動力學的特征，通過有效地控制表面與氣體的接觸，改變邊界層的厚度，使運動物體的表面形態能夠影響阻力的產生，達到節能減阻、綠色環保的目的。
【附圖說明】
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0016]圖1為本發明的具有橢圓形凹槽內表面的仿生減阻排氣管的模型圖；
[0017]圖2為本發明的具有橢圓形凹槽內表面的仿生減阻排氣管主視圖；
[0018]圖3a為本發明的具有橢圓形凹槽內表面的仿生減阻排氣管的A-A剖視圖；圖3b為本發明的具有橢圓形凹槽內表面的局部放大圖；
[0019]圖4為本發明的具有橢圓形凹槽內表面的仿生減阻排氣管的B-B剖視圖；
[0020]圖5為具有光滑內表面排氣管的壁面剪切應力的仿真結果圖；
[0021]圖6為本發明的具有橢圓形凹槽內表面的仿生減阻排氣管實施例1的壁面剪切應力的仿真結果圖；
[0022]圖7為本發明的具有橢圓形凹槽內表面的仿生減阻排氣管實施例2的壁面剪切應力的仿真結果圖；
[0023]圖8為本發明的具有橢圓形凹槽內表面的仿生減阻排氣管實施例3的壁面剪切應力的仿真結果圖。
【具體實施方式】
[0024]實施例1:
[0025]參見圖l、3a、3b、4，本發明的具有橢圓形凹槽內表面的仿生減阻排氣管，其內壁上分