基于仿生学与TRIZ相结合的流体传输节能装置的研究与应用

论文摘要

流体在管路中流动时大多处于湍流状态,在传输过程中存在着能量浪费的现象,再加上现阶段国内水泵存在着运行效率不高等问题,为了更好地提高能源资源利用效率,需要研究开发流体在传输过程中的节能装置,加强节能能力建设。然而在新产品开发过程中,开发成功率较低。据对国外700个工业企业的调查,新产品开发综合成功率仅为65%。因此,研究产品开发方法,对于成功开发新产品将具有重要的现实意义。本文较系统地分析了TRIZ理论和仿生学特点以及它们解决问题的一般步骤,找出了它们的相同点和不同点,分析了它们的可结合性,提出了这两种方法结合的路径,并最终实现了仿生学与TRIZ理论发明原理的结合。两者的结合对TRIZ理论和仿生学方法的发展和应用有着及其重要的作用,仿生学的一些原理充实、深化了TRIZ理论的发明原理,TRIZ理论中的冲突解决原理为仿生学提供更完整的理论基础。两者的结合可以为产品设计提供明确的思路,提高产品开发的成功率。在此方法的指导下,结合工程实际设计出了一套流体传输节能装置:水泵能效优化装置和新型旋启式节能止回阀。利用FLUENT软件对该装置进行CFD模拟实验,找出了其内部流场参数速度、压力、流量等的变化规律。实验证明:在水泵出水口加上该能效优化装置后,水流速度变得均匀且方向一致,减少了由于不规则湍流运动带来的水质点之间碰撞及能量损失,虽然出口处流量有所减少,但提高了水泵的扬程,通过与普通管道的功率进行比较,验证了其节能性能。通过现场试验,效果良好,由此证明,该能效优化装置在水流存在明显不规则湍流的情况下,能够起到一定的节能作用。止回阀作为流体传输管网上必不可少的部件,其性能影响着传输过程中能量的损失。针对传统止回阀存在挡水面积较大,流阻系数大的缺点,设计出一种新型旋启式多瓣止回阀,当阀瓣打开时,阀瓣位于流道侧面,有效减小了挡水面积,采用四个阀瓣,可以有效降低阀瓣关闭时的行程。通过FLUENT仿真实验,证明该止回阀当阀门打开时,阀门的流阻系数相对于绝大多数止回阀来说是相当低的,说明该止回阀的流通能力很强,因而能起到一定的节能作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 流体传输节能研究现状
• 1.2.2 产品创新设计方法研究现状
• 1.3 本课题主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 仿生学与TRIZ 相结合的方法研究
• 2.1 仿生学研究
• 2.1.1 仿生学基本原理概述
• 2.1.2 仿生学的特点及发展趋势
• 2.1.3 利用仿生学进行产品设计的一般步骤
• 2.2 TRIZ 理论研究
• 2.2.1 TRIZ 理论概述
• 2.2.2 TRIZ 理论解决问题的一般步骤
• 2.3 仿生学与TRIZ 理论相结合的探讨
• 2.3.1 对两种方法的分析
• 2.3.2 两种方法在解决问题上的结合
• 2.4 本章小结
• 第三章 流体传输节能装置的设计与建模
• 3.1 水泵能效优化装置设计
• 3.1.1 设计目标
• 3.1.2 设计原理
• 3.1.2.1 仿生学的应用
• 3.1.2.2 基于TRIZ 矛盾矩阵对能效优化装置的分析
• 3.1.3 设计成果
• 3.2 一种新型旋启式节能止回阀的设计
• 3.2.1 设计背景介绍
• 3.2.2 设计原理
• 3.2.2.1 仿生学的应用
• 3.2.2.2 运用TRIZ 矛盾矩阵对止回阀的分析
• 3.2.3 设计过程
• 3.2.3.1 阀体设计
• 3.2.3.2 阀瓣设计
• 3.2.4 设计成果
• 3.3 本章小结
• 第四章 仿真实验与分析
• 4.1 计算流体动力学相关原理介绍
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 流体动力学控制方程
• 4.1.3 CFD 的求解过程
• 4.1.3.1 总体计算流程
• 4.1.3.2 定解条件的设定
• 4.1.3.3 确定离散方法
• 4.1.3.4 确定计算方法
• 4.1.4 仿真实验过程简介
• 4.2 水泵能效优化装置FLUENT 仿真实验
• 4.2.1 前处理
• 4.2.2 仿真实验方案设定
• 4.2.3 仿真实验结果分析
• 4.2.3.1 流场参数分析
• 4.2.3.2 节能效果分析
• 4.2.4 实验结论
• 4.3 新型旋启式节能止回阀FLUENT 仿真实验
• 4.3.1 前处理
• 4.3.2 仿真实验方案设定
• 4.3.3 仿真实验结果分析
• 4.3.3.1 流场参数分析
• 4.3.3.2 节能效果分析
• 4.3.4 实验结论
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件