本发明属流体机械叶片设计及流动控制技术领域，具体涉及一种低噪声轴流风机复合仿生翼型叶片。
背景技术：
噪声污染不仅影响人们的正常休息、学习及工作，而且还会严重危害人体健康，如诱发心脏病、高血压等疾病，并对社会经济产生严重的负面影响。机翼型轴流风机是工业生产和日常生活中常用的流体机械，在高速运转下，其气动噪声已经远远超过机械噪声，在总噪声中占主导地位。降低机翼型轴流风机的气动噪声，一直是国内外研究普遍关注的重要课题。
流动控制是流体力学的前沿领域之一，与仿生学的碰撞催生了流动控制领域的一个重要研究分支——仿生流动控制，即通过模仿与学习生物或生物体的特有功能，进一步增强流动控制的效果。基于仿生流动控制的理念，国内外研究者在叶片制造波纹状前缘或后缘锯齿结构，在一定对其气动噪声起到了抑制作用。但是，流体生物体的某些特征是为了适应由基体外形决定的周围流场特性进化而来，仿生结构对雷诺数具有较高的敏感性。对于旋转机械而言，只有在特性的转速下具有较好的气动声学性能，在很多条件下，相比原型叶片，这些结构往往不降噪甚至出现增加气动噪声的情形。减小降噪结构对雷诺数的敏感性，使其全工况下均具有低噪声特性，是其在工程中推广应用的关键。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能提高轴流风机的气动性能和声学性能的低噪声轴流风机复合仿生翼型叶片。
本发明的叶片具有脊状结构表面b、尖齿状尾缘c和周期性凹状前缘d的特征。
每个仿生单元a的关键特征点为尾缘a点、尾缘b点、尾缘c点、前缘d点、前缘e点和前缘f点。
每个仿生单元a的ad曲线为关键特征线s1、be曲线为关键特征线s2、cf曲线为关键特征线s3、def曲线为内凹状特征线s4、abc曲线为内凹状特征线s5。
叶片在关键特征线s1处最大厚度为δad、在关键特征线s2处的最大厚度为δbe、在关键特征线s3处的最大厚度为δcf。
ad两点的直线长度为lad，be两点的直线长度为lbe，cf两点的直线长度为lcf。
每个仿生单元a都设有脊线ⅰe和脊线ⅱf。
叶片前缘2由各仿生单元a的内凹状特征线s4在空间由叶根ⅰ5到叶顶ⅰ6依次连接而成，叶片尾缘4由各仿生单元a的内凹状特征线s5在空间由叶根ⅱ8到叶顶ⅱ7依次连接而成。
叶片前缘2的叶根ⅰ特征点为j点，叶片前缘2的叶顶ⅰ特征点为i点。
叶片尾缘4的叶根ⅱ特征点为g点，叶片尾缘4的叶顶ⅱ特征点为h点。
j点与g点的直线长度为ljg，i点与h点的直线长度为lih。
所述的仿生单元a为脊线ⅰe和脊线ⅱf所在截面之间的部分。
所述的低噪声轴流风机复合仿生翼型叶片设计所用的翼型为naca6405翼型的修改翼型。
所述lih和ljg之间的关系为：
lih＝(1.35～1.75)ljg。
所述仿生单元a的关键特征线s1、关键特征线s2、关键特征线s3在沿垂直于纸面方向投影所在的圆分别为圆ⅰc1、圆ⅱc2、圆ⅲc3，圆ⅰc1、圆ⅱc2、圆ⅲc3为同心圆，三者半径的关系为：
r2＝0.5(r1+r3)。
所述仿生单元a的尾缘a点、尾缘b点、尾缘c点分别为叶片尾缘4与圆ⅰc1、圆ⅱc2、圆ⅲc3沿垂直于水平面所得的圆柱面的交点；前缘d点、前缘e点和前缘f点分别为与圆ⅰc1、圆ⅱc2、圆ⅲc3沿垂直于水平面所得的圆柱面的交点。
所述仿生单元a中lad、lbe和lcf之间的关系为：
lbe＝(0.85～0.95)×0.5(lad+lcf)。
所述仿生单元a中δad、δbe和δcf之间的关系为：
δbe＝(0.85～0.95)×0.5(δad+δcf)。
所述仿生单元a的内凹状特征线s4为前缘d点、前缘e点和前缘f点的b样条曲线ⅰ；仿生单元a的内凹状特征线s5为尾缘a点、尾缘b点、尾缘c点的b样条曲线ⅱ，b样条曲线ⅰ和b样条曲线ⅱ的具体尺寸参数由权利要求5和权利要求6确定。
本发明的有益效果在于：
(1)在较小转速下，气流流经复合仿生叶片前缘后，形成不稳定的t-s波，边界层未发生分离，以“筒状”从叶片尾缘脱落；气流流过叶片波状前缘后，相邻两脊状结构中间气流在翼展方向上具有等值反向的速度，受叶片壁面的限制，气流在谷底处的法向速度增加，阻止了t-s波的形成。气流从锯齿尾缘脱落后，形成了较为规则的“块状涡”，减弱了流向涡的展向关联性。
(2)中等转速下，在吸力面侧，复合仿生叶片表面两相邻的脊状结构中间，气流展向流速进一步增加，在谷底壁面反射作下形成了更高的法向速度，加速了边界层的转捩，减小了边界层不稳定性造成的压力脉动。在压力面侧，表面脊状结构对气动的收拢，对边界层起到稳定作用，消除了边界层转捩过程中形成的不稳定的λ涡，层流边界层在接近于尾缘附近快速演变成湍流边界层后从尾缘脱落。
(3)较大转速下，复合仿生叶片吸力面侧，其表面脊状结构，对流体起到收拢的作用。压力面侧，脊状结构表面加速了边界层的转捩，能减小壁面边界层不稳定造成的压力脉动。气流在压力面从尾缘脱落后，锯齿尾缘结构减小流向涡的长度和展向关联性，能降低涡脱落噪声。
本发明对层流边界层或湍流边界层的时空演化过程均可有效的控制，对雷诺数有较低的敏感性，可使轴流风机在全工况下均具有良好的气动性能和声学性能。
附图说明
图1为复合仿生翼型叶片侧视图
图2为复合仿生翼型叶片关键特征标注示意图
图3为naca6504翼型的修改翼型曲线图
图4为复合仿生翼型叶片特征点与特征线示意图
图5为复合仿生翼型叶片主视图
图6为图5中g所指部位的放大图
图7为图5中h所指部位的放大图
图8为仿生单元特征线尺寸标记示意图
其中：a.仿生单元b.脊状结构表面c.尖齿状尾缘d.周期性凹状前缘e.脊线ⅰf.脊线ⅱ1.压力面2.叶片前缘3.吸力面4.叶片尾缘5.叶根ⅰ6.叶顶ⅰ7.叶顶ⅱ8.叶根ⅱ
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行描述:
本发明的一种低噪声轴流风机复合仿生翼型叶片，具有脊状结构表面b、尖齿状尾缘c和周期性凹状前缘d的特征。整个复合仿生翼型叶片的压力面1和吸力面3由25-50个仿生单元a的曲面连接成而的空间曲面，如图1、图2所示。
每个仿生单元a的关键特征点为尾缘a点、尾缘b点、尾缘c点、前缘d点、前缘e点和前缘f点；
每个仿生单元a的ad曲线为关键特征线s1、be曲线为关键特征线s2、cf曲线为关键特征线s3、def曲线为内凹状特征线s4、abc曲线为内凹状特征线s5；
叶片在关键特征线s1处最大厚度为δad、在关键特征线s2处的最大厚度为δbe、在关键特征线s3处的最大厚度为δcf；
ad两点的直线长度为lad，be两点的直线长度为lbe，cf两点的直线长度为lcf；
每个仿生单元a都设有脊线ⅰe和脊线ⅱf；
叶片前缘2由各仿生单元a的内凹状特征线s4在空间由叶根ⅰ5到叶顶ⅰ6依次连接而成，叶片尾缘4由各仿生单元a的内凹状特征线s5在空间由叶根ⅱ8到叶顶ⅱ7依次连接而成。
叶片前缘2的叶根ⅰ特征点为j点，叶片前缘2的叶顶ⅰ特征点为i点。
叶片尾缘4的叶根ⅱ特征点为g点，叶片尾缘4的叶顶ⅱ特征点为h点。
j点与g点的直线长度为ljg，i点与h点的直线长度为lih。
所述仿生单元a是指脊线ⅰe和脊线ⅱf所在截面之间的部分。
复合仿生翼型叶片设计所用的翼型为naca6405翼型的修改翼型,其翼型曲线如图3所示。图中所示的下表面ⅰ与上表面ⅱ分别用来构建每个仿生单元的压力面1和吸力面3。取翼型弦长cc无量纲长度为1，其上表面和下表面的无量纲坐标拟合曲线表达式分为公式(1)和公式(2)：
复合仿生翼型叶片根部前缘点g与尾缘点j的直线距离ljg与叶片顶部前缘点h和尾缘点i的直线距离lih(图4所示)的关系为：
lih＝(1.35～1.75)ljg(3)
所述仿生单元a的关键特征线s1、关键特征线s2、关键特征线s3在沿垂直于纸面方向投影所在的圆分别为圆ⅰc1、圆ⅱc2、圆ⅲc3，如图5～图7所示。圆ⅰc1、圆ⅱc2、圆ⅲc3为同心圆，三者半径的关系为：
所述仿生单元a的尾缘a点、尾缘b点、尾缘c点分别为叶片尾缘4与圆ⅰc1、圆ⅱc2、圆ⅲc3沿垂直于水平面所得的圆柱面的交点；前缘d点、前缘e点和前缘f点分别为与圆ⅰc1、圆ⅱc2、圆ⅲc3沿垂直于水平面所得的圆柱面的交点，如图8所示。
所述仿生单元a中lad、lbe和lcf之间的关系为：
lbe＝(0.85～0.95)×0.5(lad+lcf)(4)
所述仿生单元a中δad、δbe和δcf之间的关系为：
δbe＝(0.85～0.95)×0.5(δad+δcf)(5)
所述仿生单元a的内凹状特征线s4为前缘d点、前缘e点和前缘f点的b样条曲线ⅰ；仿生单元a的内凹状特征线s5为尾缘a点、尾缘b点、尾缘c点的b样条曲线ⅱ，b样条曲线ⅰ和b样条曲线ⅱ的具体尺寸参数由公式(3)～(5)确定。
一、复合仿生叶片在轴流风机上应用实施例1
机翼型轴流风机叶片(翼型为本发明提出的翼型为naca6405翼型的修正翼型)直径为215mm，当lih＝1.75ljg,lbe＝0.95×0.5(lad+lcf)，δbe＝0.95×0.5(δad+δcf)时，在专用风机试验台上测试的气动性能表明，在13v、16v、20v、24v四个电压模式下，其启动功率最大降低2.51％，静压效率提高1.53％。根据国家标准gb/t2888-2008《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》，应用专用声学测试设备测试结果表明，其噪声总声压级最大可降低4.14db。
二、复合仿生叶片在轴流风机上应用实施例2
机翼型轴流风机叶片(翼型为本发明提出的翼型为naca6405翼型的修正翼型)直径为215mm，当lih＝1.55ljg,lbe＝0.9×0.5(lad+lcf)，δbe＝0.9×0.5(δad+δcf)时，在专用风机试验台上测试的气动性能表明，在13v、16v、20v、24v四个电压模式下，其启动功率最大降低3.52％，静压效率提高3.09％。根据国家标准gb/t2888-2008《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》，应用专用声学测试设备测试结果表明，其噪声总声压级最大可降低3.25db。
三、复合仿生叶片在轴流风机上应用实施例3
机翼型轴流风机叶片(翼型为本发明提出的翼型为naca6405翼型的修正翼型)直径为215mm，当lih＝1.35ljg,lbe＝0.85×0.5(lad+lcf)，δbe＝0.85×0.5(δad+δcf)时，在专用风机试验台上测试的气动性能表明，在13v、16v、20v、24v四个电压模式下，其启动功率最大降低3.68％，静压效率提高3.79％。根据国家标准gb/t2888-2008《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》，应用专用声学测试设备测试结果表明，其噪声总声压级最大可降低2.35db。