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基于多相流的船式拖拉機(jī)減阻性能分析

時(shí)間:2019年06月24日 分類:科學(xué)技術(shù)論文 次數(shù):

摘要:船式拖拉機(jī)是深泥腳水田耕整作業(yè)的新型拖拉機(jī),其船殼阻力是影響性能的重要因素。為此,通過測(cè)量水田土壤流變特性、簡(jiǎn)化實(shí)際的船體結(jié)構(gòu),考慮空氣、水、泥漿3種介質(zhì),構(gòu)建船式拖拉機(jī)船體多相流數(shù)值仿真模型,研究了工況速度與船體粘性阻力、興波性能之

  摘要:船式拖拉機(jī)是深泥腳水田耕整作業(yè)的新型拖拉機(jī),其船殼阻力是影響性能的重要因素。為此,通過測(cè)量水田土壤流變特性、簡(jiǎn)化實(shí)際的船體結(jié)構(gòu),考慮空氣、水、泥漿3種介質(zhì),構(gòu)建船式拖拉機(jī)船體多相流數(shù)值仿真模型,研究了工況速度與船體粘性阻力、興波性能之間的關(guān)系及水層的減阻性能,并開展船模實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:船底不完全滿足動(dòng)壓潤(rùn)滑條件,導(dǎo)致水層減阻效果不明顯,在船體底部安裝側(cè)擋板的方法可以提高動(dòng)壓潤(rùn)滑的能力,降低船體行駛阻力。

  關(guān)鍵詞:船式拖拉機(jī);減阻;水田土壤;多相流模型

拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車

  0引言

  船式拖拉機(jī)源于20世紀(jì)六七十年代的機(jī)耕船,70年代開始對(duì)機(jī)耕船開始了大量的研究。為提高機(jī)耕船的工作效率,大量學(xué)者進(jìn)行了理論加實(shí)驗(yàn)的深入研究。丁成杰[1]通過對(duì)機(jī)耕船的理論和整機(jī)的研究提出了一些看法,圍繞機(jī)耕船的理論、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等方面的問題加以總結(jié)及交流經(jīng)驗(yàn)。周用權(quán)等[2]列舉了幾種機(jī)耕船的總體參數(shù),通過在湖田和淺泥腳田犁耕時(shí)船體支承反力合力作用點(diǎn)位置的計(jì)算,分析比較了總體設(shè)計(jì)參數(shù)相互關(guān)系的若干特點(diǎn),提出了對(duì)整機(jī)整體布置及總體參數(shù)選取一些原則問題。

  周文浦[3]等為了降低起步阻力,在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)模型船體進(jìn)行了氣幕減阻試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),利用氣幕效應(yīng)可使靜置船體的起步阻力降低20%~25%。Thai,N.C.[4]通過理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)船尾進(jìn)行優(yōu)化,得到一種特殊船尾結(jié)構(gòu)具有較好的減阻性能。ZhouM等[5]對(duì)底盤進(jìn)行了多次設(shè)計(jì)優(yōu)化,得到一種可靠性較好的底盤結(jié)構(gòu),提升了機(jī)械性能。D.Gee-Clough等[6]指出影響船式拖拉機(jī)行駛中的阻力是由于行駛在水田或土壤中時(shí)表面的摩擦阻力最大。

  周明剛等[7]提出一種仿生學(xué)減阻法,并將這種仿生結(jié)構(gòu)布置在船式拖拉機(jī)船殼上,使減阻性能得到提升。以上研究大多是改進(jìn)船體結(jié)構(gòu)并通過試驗(yàn)驗(yàn)證來提升其工作性能,也有一部分學(xué)者在理論研究上進(jìn)行探究。由于船體加工工藝復(fù)雜,對(duì)摩擦阻力的研究較多,而對(duì)興波阻力的研究較少,因此本文結(jié)合船舶設(shè)計(jì)理論和流體力學(xué)計(jì)算,采用數(shù)值模擬方法,探索水田環(huán)境與工況速度對(duì)船體行駛阻力的影響并提出優(yōu)化方案,驗(yàn)證其可靠性,設(shè)計(jì)出一種具有較小阻力船型。

  1數(shù)值模型

  1.1水田土壤流變模型

  水田土壤含水率較高,一般被看作是非牛頓流體(即賓漢流體),具有粘稠、彈塑的綜合力學(xué)性能特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中采用的土壤具有明顯的流變性能,土壤上層有一層薄薄的水界,混合的懸濁液中土壤顆粒較小,流動(dòng)性明顯。因此,在船式拖拉機(jī)行駛過程中船底與土壤上表面充分接觸會(huì)興起波浪,帶來的摩擦力力和興波會(huì)影響其行駛阻力。

  1.2船式拖拉機(jī)船體模型

  本文以船式拖拉機(jī)為研究主體。船式拖拉機(jī)在工作過程中與水田土壤之間的相互作用是船體阻力的主要來源。

  1.3邊界處理及網(wǎng)格劃分

  建立單相流模型和兩相流模型,且當(dāng)考慮水層對(duì)船體阻力的影響時(shí)就要建立三相流模型。單相流流域模型為1/4的圓柱體。通過實(shí)地考察測(cè)量,模擬設(shè)定整船行駛的路徑及范圍,船速為3m/s。船頭的前流域?yàn)?倍的船長(zhǎng),船尾的后流域?yàn)?倍船長(zhǎng)。由于兩相流模型和三相流模型僅在速度入口處有差別,故不贅述。三相流模型為長(zhǎng)方體,計(jì)算域上表面距水平面1倍船長(zhǎng),其他參數(shù)同單相流。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間,取船體模型1/2作為研究對(duì)象。模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為得到精準(zhǔn)數(shù)據(jù),對(duì)船底及流域邊界層的網(wǎng)格做加密處理。

  模型一為只有水田土壤情況下的單相流,可以獲得船體的粘性阻力;模型二為水田土壤加空氣的兩相流,可以獲得船體在無(wú)水層水田土壤中,以不同工況速度作業(yè)時(shí)的興波阻力;模型三為水田土壤、空氣、水的三相流,可獲得船體在水層中行駛的阻力變化。單相流模型即為疊模繞流方法,則流域上表面和船體縱中剖面為對(duì)稱邊界,上游為速度入口,下游為自由出口,船體為壁面。兩相流模型在單相流的模型上添加空氣流域。三相流模型在兩相流模型中添加水層域。多相流的邊界條件同單相流類似,僅速度入口邊界數(shù)量不同。

  2數(shù)值計(jì)算

  2.1結(jié)果分析

  經(jīng)過數(shù)值仿真計(jì)算獲得船式拖拉機(jī)船體的行駛阻力。單相流模型下船體的總阻力即為船體的粘性阻力,包括摩擦阻力和粘壓阻力。船式拖拉機(jī)船體的粘性阻力隨工況速度增大而增大。為得到船式拖拉機(jī)行駛過程中產(chǎn)生的興波阻力,通過計(jì)算得到兩相流結(jié)構(gòu)下的總阻力,再減去疊模計(jì)算后的阻力。探究不同水層下阻力的變化規(guī)律,無(wú)水介下的總阻力減去有水介的總阻力,從而得到減阻率驗(yàn)證阻力關(guān)系。

  2.2減阻分析

  探究了船底水層分布的減阻規(guī)律。運(yùn)動(dòng)時(shí),水會(huì)沿著船體壁面流向船尾后部的泥坑中,而船底面的水很少,可以近似看作船體底部是與土壤直接接觸,因此并不能靠水層來降低滑行摩擦阻力。在實(shí)際工況中,船式拖拉機(jī)工作起來會(huì)使其周圍的水和泥混合形成泥漿水并運(yùn)動(dòng),這種狀態(tài)下的水粘性較大,因此承壓力會(huì)優(yōu)于普通的水。

  運(yùn)動(dòng)中的船前端會(huì)流入泥漿水,對(duì)船殼起到一定的動(dòng)力潤(rùn)滑作用。運(yùn)動(dòng)中船殼底部各個(gè)部位的泥水壓力值也是不一樣的,在船殼的中心部位的壓力值最大,而船兩端的壓力較小。為解決這種壓力問題,本文提出一種在船殼底部安裝擋板的方法,能夠有效減小其總阻力。在安裝擋板后,泥漿水將不能從側(cè)方流出,使船底的泥水層厚度增大,提高了潤(rùn)滑能力,減低了船式拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)總阻力。

  3實(shí)驗(yàn)對(duì)比

  由于泥漿水田土壤的工況復(fù)雜,且船式拖拉機(jī)在運(yùn)動(dòng)中的影響力太大,將會(huì)出現(xiàn)很大的誤差并增加測(cè)量的難度,因此選取船模實(shí)驗(yàn),粗略驗(yàn)證船在水田土壤中行駛產(chǎn)生的波形,再與數(shù)值結(jié)果做對(duì)比?梢钥闯:兩個(gè)結(jié)果的船側(cè)面和尾端波形非常相似。船模在水田土壤表面行駛時(shí),由這兩幅圖可以看出:船模的尾端興起的波形與數(shù)值結(jié)果一致。因此,本文的數(shù)值分析結(jié)果具有可靠性。

  4結(jié)論

  實(shí)地采取水田土壤并測(cè)量參數(shù),建立基于非牛頓流體的賓漢流體流變模型,采用體積函數(shù)法構(gòu)建船式拖拉機(jī)船體的多相流數(shù)值仿真模型,對(duì)船式拖拉機(jī)的行駛阻力進(jìn)行分析并優(yōu)化,得出結(jié)論:1)得到了船式拖拉機(jī)在不同工況速度下的粘性阻力和興波阻力。2)在船式拖拉機(jī)船殼底部安裝擋板的方法能夠有效地減小運(yùn)動(dòng)總阻力。3)開展船模實(shí)驗(yàn),并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的船行波形狀對(duì)比,結(jié)果表明二者波形較為相似,進(jìn)一步說明數(shù)值計(jì)算的可靠性。

  參考文獻(xiàn):

  [1]丁成杰.機(jī)耕船耕作時(shí)的受力分析及總體參數(shù)的選擇[J].拖拉機(jī),1976(2):26-37.

  [2]周用權(quán),王修斌.機(jī)耕船犁耕時(shí)總體動(dòng)力學(xué)若干問題的理論分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),1979(1):47-67.

  [3]周文浦,王良模.氣幕減阻對(duì)模型船體起步阻力影響的分析[J].拖拉機(jī),1991(5):12-16.

  [4]ThaiNC,ChancellorWJ.Boat-TractorHullDesignwithShallow-WaterTheory[J].TransactionsoftheASABE,1985(4):1082-1089.

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