文摘

为了研究泥浆减阻机制部分的操作机床表面的稻田,本文以浮板,层压的主要工作机制,为研究对象,系统地分析了仰角的作用机制,弯曲的角,穿透角,和地方组织的浮板在当地工作阻力和流体特征的层压结构基于受到模型用流利的。使用船舶力学理论和流体润滑理论,减阻机理在不同结构参数下的浮板进行了分析。结果表明,与普通浮板相比,可以减少压差阻力增加60°的仰角,弯曲角的20°,泥分离角20°。凹底非光滑表面结构的增加可以减少粘性摩擦阻力,和结构优化后总工作阻力相对减少48.3%,与降低培土前进方向的高度和改善润滑条件的底部表面,形成液体润滑效果。本研究可以为优化设计提供理论参考的泥泞的土泥部分,泥浆净化器互动研究,稻田复合机制的发展。

1。指令

水稻土被场浸泡和硬衬层结构,形成了一个工作层和工作层由水体和泥浆。泥的存在使稻田机床承担大的工作阻力在运动。研究表明,40%的总功耗的大米移植者,船拖拉机、等,用于克服前进过程中泥浆电阻(1]。因此,研究机床的诉讼法具有不同表面形态和结构参数和水田泥水稻土泥浆的优化设计具有重要意义的工具。

近年来,学者们进行了丰富的实验和模拟研究在农业机械减阻机理。郭新等人研究了九推土板的阻力特征模型的正交试验室内土槽。结果表明,与传统的曲面结构相比,抛物线推土板可以工作阻力减少4.6%,和田鼠爪仿生曲面结构可以减少阻力16.0% (2]。在土壤含水量为20%,与牵引阻力和土壤粘附数量调查指标,通金9 rib-type压辊相比,发现,与普通液压机相比,合理rib-type压辊减粘裂化比率高达41.08%,减阻率高达11.75%∼39.4% (3]。Onwualu学习速度的影响力量的耕作工具测试方法和评估基于三个理论模型的实验结果。结果表明,第二个模型有一个更一般的协议与实验观察结果(4]。Ucgul等人模拟EDEM noncohesive土壤和耕作机器之间的交互。土壤颗粒大小10毫米时,该模型准确预测犁的牵引和垂直力得到了在一定的速度范围内(5]。利用离散单元法,JB巴尔等人模拟刀倾角的影响在沟剖面参数,脊高度,倾斜,沟渠回填,横向吊索淤泥砂壤土土和土槽试验的仿真结果进行比较。相对误差分别为9%,16%,14%,0.8%,和9%,分别为(6]。Woodiga和萨拉查等人安装通用辆卡车后面的尾板模型来降低压差阻力。面向后方的阶梯高度的影响上表面之间的拖车和尾盘减阻研究[7]。Skonieczny建立土壤和农业工具的模型DEM和表明,开挖部队由于土壤积累尤其敏感,凝聚力在行星级别不同的开挖凝聚力8]。Liyan等人建立了稻田的土壤粒子模型使用分立元件设计软件EDEM和泥浆机械零件的表面鱼鳞模拟微观结构。泥粒子的运动轨迹和不同分布规律是通过数值模拟,并计算出仿生样品的总电阻低49.84%比光滑表面在水稻土条件下(9]。

总之,有很多研究减阻机制在国内外农业机械,和应用方法与成果显著不同。然而,他们中的大多数研究旱地操作机械,和有一些研究在水田机械的减阻机理。同时,由于复杂的流体水田泥的特点,研究方法干燥机械并不适用于水田机械领域。基于之前的研究,分析浮板的泥浆减阻机制操作和提供了一个参考有关泥浆的优化设计部分,这意味着减少阻力具有重要意义在水稻机械转发,提高部门的工作效率。

2。物理模型和数值模拟方法

2.1。物理模型建立方法

稻田上的实际操作更为复杂;这是一个粘性流场。出于这个原因,稻田的物理性质首先被认为是在仿真过程中,泥浆粘度测量。泥模型的参数如表所示1。的粘土粘度和几何特征生成和浮板是最重要的因素影响阻力。浮动板时水稻泥浆以一定的速度传播,浮板在接触泥土,导致当地的泥浆,形成一个漩涡的头部和浮板的底部。此外,发生边界层分离和泥浆形成尾流区域发展的尾巴起浮板的挤压下浮动板,导致压力的变化压力场的尾巴起浮板和结果之间的压力差头端和尾巴,也就是说,粘性阻力的压力。因此,根据工作特点的复合机制,通过相对运动原理,浮板可以看作是静态的,和泥浆使恒定紊流运动相对于浮动板进行数值模拟。泥后的浮板,浮板的湍流将形成,这本质上是一个动荡的过程。泥粒子互相影响,而速度和压力随时间和空间。由于严重颠簸的头端起浮板,整个流模式被认为是一个湍流模型的定义根据经典流雷诺数(Re),和墙边界选择在现实模型。由于没有传热的实际操作和能源形式是机械能,选择连续方程和动量守恒方程为控制方程,方程(所示1)和方程(2)[10,11]。涡粘性模型用于数值解的过程。标准k型号用于解决了方程,和RNG k型号的平均应变率反应主流引入方程正确的小涡运动(12,13]: 在哪里年代_u, ,和是广义源项。

2.2。两相流模型建立方法

受到方法(体积的液体)决定了自由表面追踪流体变化通过研究流体和网格体积比函数在单元格(14,15]。溶液中,流体在一个网格的体积分数通常保持在不改变接口高度接口跟踪更新。没有拓扑约束的优点,适用于分层流、表面流,和大气泡流,从而广泛应用于多相流模型(16]。在解决过程中,在每个网格不同液体的体积分数从0到1,0表示没有这样的流体在网格中,1代表灌装网格,和0.5代表两种液体的接口。相应的体积分数表达式如下(17,18]:

2.3。啮合的方法

具有复杂结构的浮板模型。为了消除网格本身的影响,同样大小的流体域用于划分网格,但只有本地执行加密。同时,处理的接口问题细分区间,工作台采用直接3 d建模(19,20.]。墙面分区和通过空间啮合进行索赔。由于模型厚度是10毫米,根据边界层特征,准确反映模型特性,内壁网将至少3层网,所以浮板的网格大小是4毫米,浮板的周围满是15毫米网格,和区域远离冲压设置为25毫米。网格生成图如图1(一)。网格的最大数量约为101×10⁴。模型网格计算域如图1 (b)。

2.4。网格独立验证

为了避免网格的大小的影响仿真结果,四个不同的网格划分方案选择反过来验证网格独立性。模型通过Solidworks冲压委员会的成立。网格预处理产生的网。高精度网格结构化网格和本地加密。相应的网格编号是851914,1013400,1329640,和1720592条目是50°角。使用网格的流体运动过程中膜板接触土壤条件进行了分析,与迭代和阻力变化。从图2网格的数量超过1013400时,稳定的流场,计算阻力几乎是一样的,误差< 2%。因此,加密的网格计算的数量和程度是一样的。

2.5。边界条件设置和几何模型建设

浮动板有一个运动状态在泥里类似的船在海里。双方的共同特征是,小物体移动在一个大空间。在计算域和初始化模型,从入口的距离模型板长度的5倍,与出口的距离模型板长度的3.5倍。空气区域模型的设置高度为1.5 L和400毫米的水扰动深度较低(等于板长度)。浸没深度也需要特殊考虑的价值,从而影响流动过程的电阻值。它可以由贝克公式计算,如方程所示(4)[21,22]。根据现场操作要求,浮板的浸没深度通常10∼30毫米,这是影响参数如泥,移植设备和可降解膜的重量。因此,浸没深度设置为20毫米,可反映出电阻值在更大的范围: 在哪里H的浸没深度浮板,G浮动板的重量(包括液压设备和可降解膜),B是接地浮板的宽度,l浮动板的接地长度,k_c粘性土的变形模量,k_Ф是土壤摩擦变形模量,n是土壤变形指数。

在仿真过程中,位置对应于浸没深度自由界面。根据受到的模型中,有一个两相流界面体积分数为0.5时,和泥地基深度通常是20∼当稻田浸泡40厘米,所以仿真的合理性和准确性可以保证23,24]。摘要自由界面高度设置是400毫米和浮板的移动速度是6公里/小时。使用一个变量参考系,泥土和空气相对于浮动板移动,和浑水入口和空气入口速度设置为1.44 m / s。同时,为了节省网格,浮板和空气域采用对称边界。剩下的边界条件设置如下:(1)空气和水湾浑水入口速度1.44米/秒的速度。(2)出口是一个限制出口的压力。(3)有四个墙壁表面,后侧壁表面,底部墙表面,上面的墙面,墙面的浮板。(4)对称边界设置在对称边界条件免费能源和传质。

3所示。结果与讨论

图3显示了一个动态的进化图体积分数在浮板的运动。从图可以看出,浑水的流动,原来的静态土壤开始前进,和土壤朝水平方向打起浮板的底部。随着浮动板有一定的宽度和高度,后被浮板,浮板的底部附近的浑水是第一个减速,以速度降至零。受到惯性和粘度,随后的浑水是无法阻止的。因此,绕道凸培土形成底部的浮板。随后的浑水不能继续在水平方向移动,所以绕流形成的底部和侧面。培土的高度将继续增加在很长一段时间,直到培土不上升,稳定在重力的影响下,粘性力,双方和旁路流。在提升过程中,由于重力的影响培土,前端艇甲板的角度影响的上升高度培土。因此,本文首先研究的角度和高度的影响艇甲板上培土高度和分析影响培土和前进阻力的影响因素。

3.1。浮动板的前端角的影响在培土

由于空间大小限制,浮板是固定的;长度太长时间会造成不便。因此,在本文的研究中,选择浮动板前端长度为160毫米,参照分析进化定律培土稳定后高度与角度。角太小,浮动板的大小将大大增加,体积太大不利于操作。因此,本文研究的角度是35°。从数据可以看出4和5当船甲板角是35°∼50°,耕作会流在整个前端的船甲板上。后角达到60°,耕作只是部分堆积,不会流前端艇甲板。这是因为,而浑水的浮板,飞溅的高度影响的角度和高度浮动板的前端艇甲板。碰撞后的浑水由于惯性会继续前进,将周围的船甲板上产生很大的压力。

也可以从分压云映射,这里的压力明显高于在其他地方,和压力会使浑水沿着船甲板上爬。在爬,浑水减慢,落在重力的作用下。向上运动的能量耗尽时,培土将会停止。一方面,随着角度的增加,重力的分力增加沿着船的甲板上,这将导致攀爬高度降低。另一方面,在同一条船上甲板长度,为一个更大的角度,垂直高度较高,所需的势能爬比较大,和初始动能较大。因此,将会有一个倾向,培土高度随角度的增加在同样高度的甲板船。

然而,浮板的前端角不是更好的,因为它是更高。从总电阻变化图表(图6),可以看出,随着角度的增加,阻力增加和浮动板困难。因此,一个较低的角度应该选择一个合适的长度。从云体积分数图可以看出,当夹角小于60°,船甲板将会被淹没,和培土将浮板,不利于操作。然而,当角度大于60°,培土不会翻艇甲板。因此,应该60°的角度设计和这个角是维持后续设计。从仿真结果可以看到,浮板的阻力分为压差阻力和摩擦阻力。由于高粘度浑水特征,压差阻力略大于摩擦阻力。可以从经典流体力学,粘滞阻力直接相关的接触面积,所以减少接触面积可能是一种有效的因素降低总阻力;浮板的前端底部受到很大压力,所以优化可以降低压差阻力,因此浮板的整体降低行驶阻力和提高层压机的工作效率。

3.2。浮板的弯曲角对培土的效果

不同弯曲角度的影响起浮板的阻力进行了理论。5∼20°角范围。图7显示一个图表的变化浮动板阻力在不同弯曲角度。从图可以看出,摩擦阻力基本上不会改变与弯曲角度的增加,当压差阻力显著降低。相比之下,一个普通的浮动盘0°,总阻力降低约11.90∼18.18%,压差阻力的弯曲角度是20°时显著降低。它可以看到从静压图(图8)的前端艇甲板浮动板有一个很大的压降,尾端有一个低压区,和两者之间的压差阻力压降。曲面船甲板上当地的接触面积,增加缓冲当地流场,减少当地的压降,降低了阻力。压力下降也导致浑水的举升高度下降。它可以看到从云体积分数图,而图5,培土高度已大幅减少,造成的漩涡边缘降低气液两相分离。

应该指出,从仿真结果可以看出,曲线浮动板培土效果有很大的影响,尽管一个较小的角度可以扮演一定的角色和较小的弯曲角对实际情况几乎没有影响。因此,建议表面角应设计在20°。这是因为电阻将会增加当角超过一定值,同时,一个特别大的曲面也增加了成本和难度的处理。过度退火将减少浮板的使用寿命和浮动板角度应该设置为大约20°基于综合考虑。

3.3。的影响渗透角上的浮板培土效果

船的动态,以减少在船舶运动阻力,前端的艇甲板通常是锐角增加动力的船向前方向,打破了海浪和增加船的速度(23,24]。针对这一点,类似的渗透角起浮板结构的设计,以及渗透角是在5°∼20°考虑到稻田里的工作环境。图9显示了不同渗透角的影响规律培土高度浮动板的中间对称平面。从图可以看出,培土高度与渗透的角度的增加,减少和地表穿透角对减少培土高度有显著的影响。这是因为在浑水的浮板,尖锐界面切下,液体很容易给双方分裂和容易流动。这样,培土流动在浮动板两边,从而减少阻力。与此同时,在高渗透角,发现典型的培土逆转回到前面,培土是完全坏了。

它可以看到从本地云图(图速度10)下行影响流体沿着浮板的速度明显高于普通的浮板,这也表明,浮动板打破了浑水一方面和另一方面加速流体向下运动,从而减少培土的高度。从图可以看出11,压差阻力是最大限度地减少了约21.96%,相比之下,最大的浮板没有渗透角。计算结果还表明,当渗透角5°,巨大的变化发生在与普通曲面浮动板相比,下降约5.89%,渗透角增加时,效果越来越明显,但有异常上升渗透角是10度时,这可能是由于浑水打破距离。

可以看出,基本上不改变粘性阻力。它还可以看到从图12与渗透角的存在,当地最大压力分布变化,基本上均匀分布改变的一个分布最高的静压渗透角的位置。这是符合基本的生理常识,表明其结果是正确的。还需要指出的渗透角必须足够了。否则,会有损坏频繁的压力的影响。因此,建议添加加强内部结构如肋骨。

3.4。当地组织浮动板阻力的影响

图13显示了体积分数的云图对称平面的位置。从上面的图可以看出,三个非光滑表面结构没有明显影响培土高度,但只有细微差别的存在。它可以看到从图(图的总电阻分布14),槽结构阻力的降低23.05 N与20°渗透角表面相比,和凹结构减少近45 N,而凸槽结构不仅没有阻力下降,而是显示阻力增加的反常现象。三个非光滑表面的压降在详细分析基本上是相同的,和凸包结构有轻微的上升,但上升不明显。这是因为它可以从分压凸包的云图结构,前端面临凸壳结构的浑水的压力明显大于尾。多数的凸槽的作用下(18),压降显著增加。虽然槽小增加表面面对浑水压力的影响,总体压力值不会改变太多。同时,发现粘性阻力的三个有一个明确的差别,明显的凹面信封粘滞阻力下降导致几乎所有的阻力下降,表明减阻效果明显,槽的粘滞阻力略有下降,下降趋势不明显;同时,凸包的压力明显增加,上升了约5.2%。因此,两者的联合行动下,凹面信封的阻力显著降低,而凸包的阻力显著增加。非光滑结构底部的表面主要通过减少粘性阻力减少了总阻力。

图15是一个简化图的三种不同的表面。从图可以看出,三个非光滑表面的流场是完全不同的。凸壳表面将显示明显的旁路流时受到了浑水。尾流是在后方绕过后形成的。类似于卡诺涡,它增加当地的涡流,但是因为没有地方整流结构,多个漩涡的叠加扰动将不可避免地增加压降,从而提高运行阻力。同时,凸壳的形成增加底部的浮板的接触面积。泥流过程与伟大的粘性,接触面积的增加意味着增加粘性阻力,所以凸包的整体运行阻力增加。

根据槽结构的模拟,虽然表面的接触面积增加,由于槽长,两边的浑水进入凹槽的影响后,槽的加速运动,减少了粘滞阻力。凹信封的非光滑结构,可以看到从附近的局部流场的流速凹信封极低,几乎和浑水滑倒凹表面,这意味着这是一个典型的液体润滑现象。浑水填充凹信封提供润滑效果,这样浑水滑下墙表面几乎没有墙剪切,减少整体粘滞阻力。非光滑结构并不一定有利于减少总阻力,但也可能导致整体电阻的增加,如凸壳结构。合理的设计将在一定程度上减少阻力和提高大米贴合机的整体运营效率,如凹信封的结构。总之,我们获得的最优设计参数层压机在高粘度下。船甲板角是60°,曲面弧度是20°,穿透角是20°,信封和底部凹结构。

4所示。实验验证

为了验证仿真结果的准确性,本文测量电阻不同结构的浮板在室内土槽如图16所示。设备测试的主要类型包括电动拖拉机,暂停机制,MIK-LCS1方法传感器、水稻土和浮板模型。其他类型的设备包括统治者,秒表,记号笔,土壤湿度探测器,绝缘胶带,和组装工具(扳手、螺丝刀、钳子等)。

在测试期间,三个模型从土槽的一端以恒定速度,移动的距离是1.5米。观察和测量的深度模型陷入泥里。移动模型1.5米后,我们看到前面,后面,和双方的模型,然后记录测量结果,泥表面光滑。每个模型重复了3次,结果取平均值。

4.1。测试结果

表2显示了不同的优化后的牵引阻力值测量机制的参数。从表中可以看出,其他三个改进结构的牵引阻力显著低于常见的结构。

弯曲结构的基础上,牵引阻力减少了大约27 N后的渗透角结构。平均牵引阻力减小到202.9 N增加底部凹信封后微观结构的基础上添加渗透角结构。这表明,经过几次结构优化,有减阻效果的工作阻力漂浮板。同时,模拟与实验值的相对误差结构阻力的四种类型的浮板分别为18.3%,15.27%,16.76%,和17.47%,分别。总之,测试结果与仿真分析结果是一致的,与模拟值都配备了实验值。因此,认为泥浆之间的交互模型建立部分和水稻土基于受到模型是合理的。

5。结论

摘要VOF-coupled水平集模型用流利的使用的减阻机理的系统研究设计参数的浮板稻田贴合机。通过调查浮板的影响机制角度,弯曲的角,穿透角,和当地的非光滑结构的运行阻力和流型浮板,研究表明,(1)浮板的角度和高度影响培土高度。虽然小角度意味着小电阻,培土很容易翻艇甲板,减少的效果。综合考虑培土效应和阻力,高粘度下更好的设计是60°角;(2)曲面形状的变化降低压差阻力。结合理论模型分析值,最优抗操作范围浮动板弯曲角时可以获得20°;(3)渗透角减少培土高度的增加,降低运行阻力,提高了运行效率。综合考虑当地的力量,渗透的更好的设计价值20°角;(4)当地的非光滑结构粘滞阻力有很大影响。比较这三个非光滑结构、凹信封最佳减阻效果由于当地液体润滑。 The simulation results were verified through an indoor soil trough test, which realized the innovation of the research method for the drag reduction mechanism of paddy field mud parts. The established model and the data obtained by the simulation result will contribute to the research and optimization design of the drag reduction mechanism of paddy field tools.

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了内蒙古中国国家自然科学基金(2019 lh05002)。