戚得眾，陳 龍，周明剛，龔 宇，劉明勇

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 農(nóng)機(jī)工程研究設(shè)計(jì)院，武漢 430068；2.湖北省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計(jì)院，武漢 430068)

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。Zhou M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)。

水田土壤的流變特性根據(jù)流變學(xué)參數(shù)，簡(jiǎn)化模型的流變方程式為

(1)

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。將水田土壤測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果如表1所示。

表1 水田土壤測(cè)量結(jié)果

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，建立了物理模型如圖1所示。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。

圖1 船體模型圖

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，如圖2所示。

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。

圖2 邊界層及流域網(wǎng)格圖

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。圖3(a)為船體在不同工況速度下的阻力狀況。由圖3(a)可以看出，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。圖3(b)為船體的興波阻力與船體速度的關(guān)系曲線。由圖3(b)可以看出，船體的興波阻力也隨速度在上升。

圖3(c)表明3種模型計(jì)算的結(jié)果基本一致。由圖3(c)可以看出沒有水介的土壤和有水介的土壤對(duì)船式拖拉機(jī)的阻力影響，水層能夠有效地減少總阻力。

探究不同水層下阻力的變化規(guī)律，無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。由圖3(d)可以看出，速度的不同也會(huì)引起阻力的變化。

圖3 船體阻力與速度的關(guān)系

2.2 減阻分析

探究了船底水層分布的減阻規(guī)律，結(jié)果如圖4(a)所示。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。船體底部水分含量對(duì)比如圖4所示。

圖4 船體底部水分含量對(duì)比

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。

圖5(a)為實(shí)地水面船體模形實(shí)驗(yàn)，圖5(b)為本文數(shù)值仿真的結(jié)果。可以看出：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)，圖6(a)為自由波面在船體周圍的興波形狀，圖6(b)為數(shù)值模擬結(jié)果中自由液面波高分布云圖。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。

圖5 水面船行波波形對(duì)比

圖6 水田土壤船行波波形對(duì)比

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。