張三強(qiáng)，鄒星，陳源，章桃娟

(1.湖北工業(yè)大學(xué)，武漢市，430068；2.湖北省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計(jì)院，武漢市，430068；3.浠水縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北黃岡，438200)

0 引言

減小船式拖拉機(jī)在水田土壤中的滑行阻力是提高運(yùn)行效率的有效手段，傳統(tǒng)減小滑行阻力的方案多為對(duì)船殼結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行改進(jìn)，周明剛等通過(guò)研究船殼表面凹坑結(jié)構(gòu)的排布、凹坑的大小和深度變化對(duì)總阻力的影響，結(jié)果表明采用等距排列，凹坑直徑為8 mm深度為5 mm時(shí)減阻率可達(dá)5.4%，在其后續(xù)的凸包結(jié)構(gòu)對(duì)減阻率的影響研究中，同樣得出具有一定減阻效果的結(jié)論。楊暉等[1]改變船殼底板弧形個(gè)數(shù)和弧形幅值研究減阻性能變化，主要通過(guò)弧形數(shù)改變船底壁面剪切力減小阻力，結(jié)果表明單弧幅值為35 mm減阻效率為7.6%。戚得眾等[2-3]研究發(fā)現(xiàn)船底增設(shè)檔條能夠船底減少兩側(cè)的泥漿泄漏，在對(duì)比有無(wú)檔條阻力變化時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)增設(shè)檔條使船底含水量增加形成泥水層起到潤(rùn)滑減阻的效果，但檔條會(huì)帶來(lái)額外的附加阻力，過(guò)高的檔條反而使行駛阻力增大，且檔條凸于船殼表面會(huì)對(duì)船體操縱性產(chǎn)生的影響，如轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，凸起檔條會(huì)產(chǎn)生額外阻力。氣層減阻技術(shù)作為新興的節(jié)能減排技術(shù)能夠提供更好的減阻效果，歐勇鵬等[4]研究平板氣層流動(dòng)特征中發(fā)現(xiàn)凹槽深度對(duì)氣層波動(dòng)的波長(zhǎng)幾乎沒(méi)有影響，波長(zhǎng)長(zhǎng)度與水的來(lái)流速度呈正相關(guān)；吳浩等[5]研究變水深平板氣層減阻，試驗(yàn)結(jié)果表明氣層覆蓋處的局部摩擦力幾乎為零，氣層減阻能夠有效減小平板阻力；秦立果等[6]研究溝槽結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)排布發(fā)現(xiàn)盾鱗結(jié)構(gòu)減阻率可達(dá)17.86%。通過(guò)研究船式拖拉機(jī)船殼氣層減阻的影響因素，并對(duì)船殼底板凹槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步優(yōu)化減阻效果。

1 計(jì)算模型

1.1 三維模型

參考實(shí)際船式拖拉機(jī)三維尺寸構(gòu)建船殼模型，并對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體參數(shù)如表1所示。

表1 船模的基本參數(shù)

1.2 水田土壤模型

在船式拖拉機(jī)滑行阻力仿真模擬研究中，通常將流體介質(zhì)假設(shè)為質(zhì)地均勻的土壤泥漿，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合賓漢流體的流變特性，流變特性方程[7-16]

(1)

式中：τ——剪切強(qiáng)度；

τ0——屈服強(qiáng)度；

ηp——塑性黏度；

水田泥漿參數(shù)取樣于湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田，由DHR-2流變儀測(cè)得具體參數(shù)如表2所示。

表2 水田泥漿參數(shù)

將所測(cè)參數(shù)代入式(1)，可得本模型中流變特性方程

(2)

1.3 仿真模型

為模擬空氣與水田土壤泥漿對(duì)船殼阻力的影響，本文采用VOF兩相流的方法模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)吃水線深度為0.3 m，流域大小為21 m×5 m×5 m，入口設(shè)置為速度入口，出口為壓力出口，凹槽空氣入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，計(jì)算流場(chǎng)具有對(duì)稱性故僅對(duì)計(jì)算域一半進(jìn)行求解，剖面設(shè)置為對(duì)稱面，其余壁面設(shè)置為光滑壁面，由于水田土壤泥漿為高黏度的懸濁液，在研究中通常采用Bingham流體模型分析其流變特性。

(a)船模側(cè)視圖

圖2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)船舶阻力理論，船體阻力是船體與液體環(huán)境在船體濕表面上相互作用，采用量綱分析

Ct=Cf+Cr-Cf,cavity+ΔCf

(3)

式中：Ct——總阻力系數(shù)；

Cf,cavity——?dú)鈱影疾勰Σ磷枇ο禂?shù)；

Cr——剩余阻力系數(shù)。

氣層能夠減小船殼底板濕表面積，故需減去Cf,cavity為氣層凹槽摩擦阻力系數(shù)，ΔCf為粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)。

由于水田泥漿具有黏附作用，需額外考慮泥漿帶來(lái)的附加阻力[7]，修正后

Ct=Cf+Cr-Cf,cavity+ΔCf+kτCτ

(4)

式中：kτ——土壤作用系數(shù)；

Cτ——土壤外附力系數(shù)。

2 凹槽結(jié)構(gòu)氣層減阻影響因素分析

2.1 泥漿來(lái)流速度影響分析

參考船式拖拉機(jī)在水田耕作的實(shí)際工作速度3～9 km/h，近似分析泥漿來(lái)流速度為1.0～2.5 m/s時(shí)對(duì)凹槽結(jié)構(gòu)氣層減阻性能的影響。

2.1.1 泥漿來(lái)流速度對(duì)氣層形態(tài)影響

如圖3所示，當(dāng)泥漿來(lái)流速度為1.0 m/s時(shí)，船底凹槽氣層達(dá)到完全覆蓋，并且在尾部有空氣溢出，在凹槽兩側(cè)并未觀察到氣體泄漏現(xiàn)象。水的來(lái)流速度由1.0 m/s增大至2.5 m/s時(shí)，氣層覆蓋面積減小，存在此現(xiàn)象的原因是由于泥漿來(lái)流速度的增大使湍流程度加劇，破壞了氣層的穩(wěn)定性，導(dǎo)致氣層難以穩(wěn)定形成與保持。船底凹槽中氣層形態(tài)呈凹型，船底凹槽兩側(cè)氣層長(zhǎng)度大于中間氣層長(zhǎng)度，其原因有二：空氣在船底流動(dòng)具有橫向擴(kuò)散的特性[8]；空氣沿壁面流動(dòng)時(shí)更容易保持連續(xù)。

(a)1.0 m/s

2.1.2 泥漿來(lái)流速度對(duì)船側(cè)波高影響

如圖4所示，水的來(lái)流速度為2.5 m/s時(shí)船首波高約為0.26 m，其值與1.0 m/s的波高相差約0.2 m，與水的來(lái)流速度增大，船側(cè)波高隨之增大的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相符。由于泥漿來(lái)流速度為1.0 m/s和1.5 m/s時(shí)數(shù)值較低，船側(cè)興波高度整體變化不大，在船體后側(cè)波高基本與自由液面持平。

圖4 不同泥漿來(lái)流速度船側(cè)波高

(a)1.0 m/s

2.1.3 泥漿來(lái)流速度對(duì)船體阻力影響

如圖6所示，泥漿來(lái)流速度為1 m/s時(shí)，剩余阻力為36 N，當(dāng)泥漿來(lái)流速度增至2.5 m/s時(shí)，剩余阻力為139 N，而摩擦阻力僅略有增大。隨著泥漿來(lái)流速度的增大，船體受到的摩擦阻力和壓阻力均有增大，其中壓阻力增大的幅度較大。根據(jù)船舶力學(xué)理論，水的來(lái)流速度是影響興波阻力的主要原因，當(dāng)水的來(lái)流速度增大時(shí)，船舶所受的壓阻力會(huì)明顯增大，此結(jié)論與圖中描述相符。

圖6 不同泥漿來(lái)流速度各阻力變化

由于氣層覆蓋面積隨著泥漿來(lái)流速度的增大而減小，導(dǎo)致總阻力進(jìn)一步增大，而對(duì)于平底船而言則不受氣層覆蓋率的影響，故可推斷出氣流量一定時(shí)，泥漿來(lái)流速度增大，氣層減阻的絕對(duì)減阻率減小。

2.2 氣流量影響因素分析

氣流量的大小直接影響凹槽中氣層覆蓋情況，而氣層覆蓋率是評(píng)判減阻效果重要標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的氣流量大小對(duì)研究氣層減阻性能有著重大的意義。本節(jié)將從氣流量大小分析氣層減阻性能的變化。

2.2.1 氣流量對(duì)氣層覆蓋率影響

船底凹槽隨氣流量增大的氣層覆蓋情況如圖7所示。

圖7 船底凹槽隨氣流量增大的氣層覆蓋情況

在研究氣流量由0.002 kg/s增大至0.014 kg/s過(guò)程中時(shí)，研究現(xiàn)象表明由于初始設(shè)置氣流量過(guò)小，氣層無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全覆蓋，僅在噴口附近有較好的覆蓋率，空氣在船底凹槽后側(cè)以氣泡流流至船尾，隨著氣流量的增大，氣層的覆蓋面積越來(lái)越大，當(dāng)氣流量增大至0.01 kg/s時(shí)，氣層實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。由于設(shè)置船底凹槽較深，僅在噴口附近觀察到空氣泄漏現(xiàn)象(圓圈標(biāo)記處)，增大氣流量后兩側(cè)泄漏的空氣增大，但在船側(cè)并未觀察到明顯的溢出氣泡流，表示其空氣總體泄漏量并不大。

2.2.2 氣流量對(duì)船體阻力影響

如圖8所示，隨著氣流量的增大，總阻力呈先減小后趨于平緩，最后出現(xiàn)小幅增大。此結(jié)論與船底凹槽中的氣層覆蓋率有直接的關(guān)聯(lián)，當(dāng)氣流增大時(shí)，氣層覆蓋率會(huì)明顯增大，后趨于飽和，當(dāng)氣流量為0.012 kg/s時(shí)，總阻力最小，值為323 N，繼續(xù)增大氣流量會(huì)使空氣產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象，泄漏的空氣會(huì)使船殼壁面的剪切力局部增大，致使總阻力增大，由于研究中產(chǎn)生的空氣泄漏量很小，故使總阻力增幅不大。

圖8 不同氣流量各阻力變化

船殼曲率變化較大的首部由于水流的沖擊受到的動(dòng)態(tài)壓力較大，對(duì)比船底氣層覆蓋于未覆蓋的區(qū)域動(dòng)態(tài)壓力，在有氣層覆蓋的區(qū)域受到的動(dòng)態(tài)壓力(顏色較深區(qū)域)明顯小于未覆蓋區(qū)域(顏色較淺區(qū)域)，說(shuō)明氣層在模擬過(guò)程中能有效地將船底凹槽與液體環(huán)境隔離，減小船體濕潤(rùn)表面積。

圖9 船底動(dòng)態(tài)壓力云圖

絕對(duì)減阻率和相對(duì)減阻率[12]

(5)

(6)

式中：R0——平底船總阻力；

Rt,air——船殼底板通氣的凹槽船總阻力；

Rt——船殼底板不不通氣的凹槽船總阻力；

η1——絕對(duì)減阻率；

η2——相對(duì)減阻率。

絕對(duì)減阻率和相對(duì)減阻率變化趨勢(shì)如圖10所示，其趨勢(shì)與總阻力變化相對(duì)應(yīng)，氣流量從0.002 kg/s逐漸增大至0.014 kg/s時(shí)，絕對(duì)減阻率和相對(duì)減阻率逐步增大，然后趨于平緩，最后出現(xiàn)小幅下降。氣流量為0.012 kg/s時(shí)絕對(duì)減阻率和相對(duì)減阻率最大，分別為21.9%和25.3%，由于相對(duì)減阻率大于絕對(duì)減阻率，說(shuō)明凹槽結(jié)構(gòu)帶來(lái)較大的附加阻力仍具優(yōu)化空間，下一節(jié)將從凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)分析氣層減阻性能。

圖10 絕對(duì)減阻率和相對(duì)減阻率

3 凹槽深度參數(shù)優(yōu)化研究

氣層覆蓋率是影響減阻率的主要因素，而凹槽結(jié)構(gòu)本身同樣會(huì)帶來(lái)附加阻力，基于前文研究結(jié)果表明凹槽的槽型結(jié)構(gòu)仍具有改進(jìn)空間，本節(jié)研究不同槽型結(jié)構(gòu)，與氣層減阻技術(shù)相結(jié)合，分析其減阻性能，下面對(duì)不同深度槽型結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

通過(guò)絕對(duì)減阻率與相對(duì)減阻率的對(duì)比，結(jié)果表明不通氣凹槽船對(duì)于減阻效果產(chǎn)生負(fù)優(yōu)化，其阻力增大主要受凹槽深度的影響，在凹槽船的基礎(chǔ)上針對(duì)凹槽深度變量設(shè)計(jì)槽型A，分別對(duì)0～0.06 m凹槽深度進(jìn)行研究，其余尺寸不變，如圖11所示。

圖11 0～0.06 m凹槽深度船殼模型

3.1 不同氣流量下氣層形態(tài)分析

對(duì)不同凹槽深度的船殼底板凹槽注入空氣時(shí)，隨著氣流量的增大各深度凹槽均能由氣層部分覆蓋增至完全覆蓋，不同點(diǎn)在于不同深度的凹槽達(dá)到最大飽和所需的氣流量大小不同，基本符合凹槽深度越大所需氣流量越大的變化規(guī)律。

如圖12所示，凹槽深度為0.03 m由于凹槽深度的減小使所能容納的空氣總體積減小，在氣流量為0.006 kg/s，富余的空氣開始出現(xiàn)少量的溢出現(xiàn)象，當(dāng)氣流量增大至0.008 kg/s時(shí)，船體兩側(cè)空氣出現(xiàn)大量泄漏。

(a)空氣未完全覆蓋階段

如圖13所示，對(duì)于凹槽深度越小的船體所需飽和氣流量越小，由于空氣在船殼底板凹槽中流經(jīng)至船體凹槽后側(cè)時(shí)氣流量會(huì)產(chǎn)生衰減，凹槽后側(cè)部分氣層厚度會(huì)明顯減小，氣層覆蓋的穩(wěn)定性不如空氣入口處，所受到的壁面剪切力也大于凹槽深度大的船體。向船殼底板凹槽注入空氣時(shí)，在保證空氣不產(chǎn)生泄漏的前提下，應(yīng)盡可能增大氣流量，以應(yīng)對(duì)氣流量的衰減。

(a)空氣未完全覆蓋階段

3.2 不同凹槽深度結(jié)構(gòu)減阻率分析

在相同通氣量的條件下，對(duì)不同凹槽深度(0.02～0.06 m)的船殼總阻力進(jìn)行研究，其總阻力和絕對(duì)減阻率如圖14所示。當(dāng)通氣量從0.004 kg/s逐步增加到0.014 kg/s時(shí)，除凹槽深度為0.02 m的結(jié)構(gòu)外，其余凹槽深度的船殼減阻率均為逐步增加，達(dá)到某個(gè)峰值之后，出現(xiàn)減小。其原因?yàn)?，氣流量越大氣層覆蓋面積越大，船殼總阻力隨氣層覆蓋面積的增大而減小，當(dāng)氣層覆蓋趨于飽和后，總阻力達(dá)到最小值。繼續(xù)增大氣流量后，由于船體兩側(cè)氣體泄漏，導(dǎo)致氣層破壞，使得總阻力出現(xiàn)反向增大。不同深度凹槽的船殼所受總阻力存在一個(gè)氣流量極值，使得絕對(duì)減阻率最大，基本變化規(guī)律滿足凹槽深度越大所需最大氣流量越大。

(a)0.02 m凹槽深度

當(dāng)凹槽深度為0.02 m時(shí)，由于初始?xì)饬髁窟^(guò)小無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣層完全覆蓋，而適當(dāng)增大氣流量后由于凹槽壁面高度限制空氣從注入口兩側(cè)溢出，空氣出現(xiàn)大量泄漏，導(dǎo)致減阻率減小。在船體兩側(cè)不產(chǎn)生泄漏的前提下，當(dāng)滿足調(diào)整氣流量大小均無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全氣層覆蓋時(shí)即可推斷該模型已達(dá)到最小極限凹槽深度。

對(duì)比分析不同凹槽深度(0～0.06 m)的最優(yōu)減阻率進(jìn)行，如圖15所示，凹槽深度為0 m時(shí)，即為平底船結(jié)構(gòu)時(shí)，總阻力約為413.9 N。隨著凹槽深度增加，減阻率逐步優(yōu)化，當(dāng)凹槽深度達(dá)到0.03 m時(shí)，減阻效果達(dá)到最優(yōu)，總阻力約為301.2 N，絕對(duì)減阻率為27.2%，隨著凹槽深度參數(shù)的繼續(xù)增加，減阻率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)深度達(dá)到0.06 m時(shí)，總阻力約為326.1 N，絕對(duì)減阻率為21.9%。在實(shí)際應(yīng)用中面對(duì)復(fù)雜水田土壤環(huán)境，應(yīng)當(dāng)綜合考慮氣層減阻的抗干擾能力，以及氣層破壞后的再形成速率，適當(dāng)增加一定容錯(cuò)空間，即增大凹槽深度，以提高氣流量大小，加速氣層破壞后的再形成。

圖15 不同凹槽深度的最優(yōu)減阻率對(duì)比

4 結(jié)論

1)泥漿來(lái)流速度增加會(huì)導(dǎo)致船首波高上升，使氣層覆蓋面積降低，導(dǎo)致阻力增大。

2)氣流量直接影響氣層的覆蓋面積，氣流量過(guò)小將導(dǎo)致氣層覆蓋不完全，氣流量過(guò)大將導(dǎo)致空氣產(chǎn)生泄漏，均不利于提升減阻性能。

3)凹槽深度是影響總阻力大小的主要因素之一，在確保氣層能完全覆蓋的前提下，凹槽深度越小，帶來(lái)的附加阻力越小。

4)槽型結(jié)構(gòu)底板凹槽最優(yōu)深度為0.03 m，其絕對(duì)減阻率較0.06 m凹槽深度的可提高5.3%左右，較平底船可提高27.2%的減阻率。