基于多相流的船式拖拉機減阻性能分析

戚得眾，陳 龍，周明剛，龔 宇，劉明勇

(1.湖北工業大學 農機工程研究設計院，武漢 430068；2.湖北省農業機械工程研究設計院，武漢 430068)

0 引言

船式拖拉機源于20世紀六七十年代的機耕船，70年代開始對機耕船開始了大量的研究。為提高機耕船的工作效率，大量學者進行了理論加實驗的深入研究。丁成杰[1]通過對機耕船的理論和整機的研究提出了一些看法，圍繞機耕船的理論、設計、試驗等方面的問題加以總結及交流經驗。周用權等[2]列舉了幾種機耕船的總體參數,通過在湖田和淺泥腳田犁耕時船體支承反力合力作用點位置的計算,分析比較了總體設計參數相互關系的若干特點，提出了對整機整體布置及總體參數選取一些原則問題。周文浦[3]等為了降低起步阻力,在試驗室內對模型船體進行了氣幕減阻試驗發現，利用氣幕效應可使靜置船體的起步阻力降低20%～25%。Thai, N. C.[4]通過理論和實驗對船尾進行優化，得到一種特殊船尾結構具有較好的減阻性能。Zhou M等[5]對底盤進行了多次設計優化，得到一種可靠性較好的底盤結構，提升了機械性能。D.Gee- Clough等[6]指出影響船式拖拉機行駛中的阻力是由于行駛在水田或土壤中時表面的摩擦阻力最大。周明剛等[7]提出一種仿生學減阻法，并將這種仿生結構布置在船式拖拉機船殼上，使減阻性能得到提升。

以上研究大多是改進船體結構并通過試驗驗證來提升其工作性能，也有一部分學者在理論研究上進行探究。由于船體加工工藝復雜，對摩擦阻力的研究較多，而對興波阻力的研究較少，因此本文結合船舶設計理論和流體力學計算，采用數值模擬方法，探索水田環境與工況速度對船體行駛阻力的影響并提出優化方案，驗證其可靠性，設計出一種具有較小阻力船型。

1 數值模型

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、彈塑的綜合力學性能特點。

水田土壤的流變特性根據流變學參數，簡化模型的流變方程式為

(1)

在實驗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，流動性明顯。因此，在船式拖拉機行駛過程中船底與土壤上表面充分接觸會興起波浪，帶來的摩擦力力和興波會影響其行駛阻力。將水田土壤測量數據進行整理，結果如表1所示。

表1 水田土壤測量結果

1.2 船式拖拉機船體模型

本文以船式拖拉機為研究主體，建立了物理模型如圖1所示。船式拖拉機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 邊界處理及網格劃分

建立單相流模型和兩相流模型，且當考慮水層對船體阻力的影響時就要建立三相流模型。單相流流域模型為1/4的圓柱體。通過實地考察測量，模擬設定整船行駛的路徑及范圍，船速為3m/s。船頭的前流域為1倍的船長，船尾的后流域為3倍船長。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。

三相流模型為長方體，計算域上表面距水平面1倍船長，其他參數同單相流。為了節省計算時間，取船體模型1/2作為研究對象。

模型進行網格劃分，為得到精準數據，對船底及流域邊界層的網格做加密處理，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時的興波阻力；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，僅速度入口邊界數量不同。

圖2 邊界層及流域網格圖

2 數值計算

2.1 結果分析

經過數值仿真計算獲得船式拖拉機船體的行駛阻力。

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。

為得到船式拖拉機行駛過程中產生的興波阻力，通過計算得到兩相流結構下的總阻力，再減去疊模計算后的阻力。圖3(b)為船體的興波阻力與船體速度的關系曲線。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種模型計算的結果基本一致。由圖3(c)可以看出沒有水介的土壤和有水介的土壤對船式拖拉機的阻力影響，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，從而得到減阻率驗證阻力關系。由圖3(d)可以看出，速度的不同也會引起阻力的變化。

圖3 船體阻力與速度的關系

2.2 減阻分析

探究了船底水層分布的減阻規律，結果如圖4(a)所示。運動時，水會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。

在實際工況中，船式拖拉機工作起來會使其周圍的水和泥混合形成泥漿水并運動，這種狀態下的水粘性較大，因此承壓力會優于普通的水。運動中的船前端會流入泥漿水，對船殼起到一定的動力潤滑作用。

運動中船殼底部各個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比如圖4所示。

圖4 船體底部水分含量對比

在安裝擋板后，泥漿水將不能從側方流出，使船底的泥水層厚度增大，提高了潤滑能力，減低了船式拖拉機的運動總阻力。

3 實驗對比

由于泥漿水田土壤的工況復雜，且船式拖拉機在運動中的影響力太大，將會出現很大的誤差并增加測量的難度，因此選取船模實驗，粗略驗證船在水田土壤中行駛產生的波形，再與數值結果做對比。

圖5(a)為實地水面船體模形實驗，圖5(b)為本文數值仿真的結果。可以看出：兩個結果的船側面和尾端波形非常相似。

船模在水田土壤表面行駛時，圖6(a)為自由波面在船體周圍的興波形狀，圖6(b)為數值模擬結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值結果一致。因此，本文的數值分析結果具有可靠性。

圖5 水面船行波波形對比

圖6 水田土壤船行波波形對比

4 結論

實地采取水田土壤并測量參數，建立基于非牛頓流體的賓漢流體流變模型，采用體積函數法構建船式拖拉機船體的多相流數值仿真模型，對船式拖拉機的行駛阻力進行分析并優化，得出結論：

1)得到了船式拖拉機在不同工況速度下的粘性阻力和興波阻力。

2)在船式拖拉機船殼底部安裝擋板的方法能夠有效地減小運動總阻力。

3)開展船模實驗，并與數值計算結果的船行波形狀對比，結果表明二者波形較為相似，進一步說明數值計算的可靠性。