蟹塘投飼船螺旋驅動裝置設計與水動力性能分析
2022-07-07 02:36:32陳雷雷任萬川張麗珍胡慶松
漁業現代化 2022年3期
陳雷雷，任萬川，李 俊，張麗珍，胡慶松
(上海海洋大學工程學院，上海 201306)
水產養殖過程中使用投飼船進行投飼作業是實現養殖集約化和規模化的前提與保障[1]，同時投飼船的應用也有助于提高飼料投喂效率，而高效的投喂策略能夠提高養殖對象的存活率和生長性能[2]。河蟹池塘養殖一般采用種草養蟹模式，為了使河蟹有更好的生長環境，蟹塘水草種植覆蓋率一般高達60%以上[3-5]。當前以明輪與螺旋槳為驅動裝置的投飼船不能適應水草密集蟹塘的投飼作業，因此，針對蟹塘投飼作業，適應多水草環境的驅動裝置研究顯得十分必要和迫切。
近年來為了減輕水草對投飼船投飼作業的影響，人們針對投飼船進行了優化研究。李俊等[6]將雙體投飼船的船底設計為圓棱形狀以有效減少水草對船體的阻力，改變船型雖然降低了投飼船在多草水環境中的行駛難度，但無法避免其驅動螺旋槳被水草纏繞。應對此問題，孫月平等[7]以空氣螺旋槳為驅動，雖然避免了水草纏繞，但動力不足、行駛速度較慢、且無法通過水草密厚區域。而螺旋驅動裝置常用于雪地、沼澤與泥地等路面松軟且路況復雜的應用環境[8-9]，具有很好的多草水環境適應能力。螺旋驅動裝置在農業領域的創新應用是當前的研究熱點之一。馮闖闖等[10]設計了一種螺旋推進式挖藕機，并對其在藕田的行駛滑轉率進行分析，為水田行走裝備的研究提供了經驗；靳航嘉等[11]針對糧面承壓能力與抗剪切強度低的難點，提出了一種螺旋驅動式糧倉機器人行走機構，解決了機構在糧面行走時易下陷打滑的問題，分析了滑轉率、沉陷量與轉速的關系，為糧面行走機構的研究提供了參考。趙玉凡等[12]基于螺旋驅動器建立數學模型，證明任意滑轉率的螺旋葉片均不產生推土現象。樊啟洲等[13]做了類似的工作，同時推導了螺旋驅動器的黏附-摩擦阻力計算公式。郭曉林等[14-15]對螺旋驅動裝置進行了土質環境中動力學仿真分析，得到了隨滑轉率與螺旋出土角增大，推進力也隨之增大的結論，并對螺旋驅動裝置轉向過程中滑移、滑轉現象進行了探索。Dugoff等[16]通過螺旋推進車模型，研究了螺旋推進車結構參數、負載、速度與車輛牽引力和滑轉率的關系。Nagaoka等[17]利用車輛地面力學理論建立了數學模型，同時通過仿真分析了松軟地面的土壤剪切力和應力軌跡。可見螺旋驅動裝置在土質地面，松軟地面及顆粒堆積表面等應用環境都具有優越性能，以上研究也在這些方面取得了較好的成效。
綜上，蟹塘投飼船設計中采用螺旋驅動裝置，要求螺旋驅動裝置具有水草適應能力的同時具備優越的水動力性能是蟹塘作業的重要前提，但是，當前關于螺旋驅動裝置的水動力性能研究探索較少。本研究從蟹塘投飼需求和蟹塘投飼船的總體結構出發，探討了基于計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)方法的螺旋驅動裝置的水動力性能分析方法，通過對螺旋驅動裝置螺旋葉片的螺距與葉片高度的研究，確定了驅動裝置的水動力性能與螺旋葉片的關系，為螺旋驅動裝置在水體環境中的應用研究提供參考。
1 螺旋驅動裝置設計
1.1 整體模型設計
河蟹養殖中出于增加溶氧、提供植物性飼料等原因，大面積種植水草[18-19]，加之河蟹養殖對水質要求較高，集中投喂產生的剩余飼料會污染水質[20-21]，這就要求蟹塘投飼船具有水草區域行走與全塘均勻投喂飼料的能力。螺旋驅動的蟹塘投飼船由圖1所示的飼料箱、拋料盤、連接機構、支撐機構和螺旋驅動裝置5個部分組成。
圖1 螺旋驅動投飼船三維模型圖Fig.1 3D model of spiral driven feeding boat
飼料箱用于裝載飼料，底部的漏斗結構保證均勻完整下料；拋料盤進料口與飼料箱下料口豎直對齊，通過控制器控制飼料箱抖動下料，利用拋料盤的離心力將飼料呈扇形拋撒，確保飼料均勻分布；連接機構與驅動裝置組成投飼船的動力系統，呈錐臺結構，錐臺一側走線通道用以電機與電源的連接；支撐機構用于連接投飼機構和動力系統；螺旋驅動裝置工作時繞兩錐臺連接的中軸旋轉，產生浮力與推進力。
1.2 螺旋驅動裝置設計
螺旋驅動裝置為投飼船提供浮力與推進力，作為核心動力裝置，螺旋驅動裝置在水體環境的工作原理具體表現為：外側驅動裝置以角速度ωi轉動、內側以角速度ωj轉動時，驅動裝置為差速運行狀態，控制電機轉速大小可實現不同角度轉向，其中轉向半徑與轉向角速度根據文獻[15]表達式如公式(1)～(3)所示。驅動裝置旋轉方向決定蟹塘投飼船行駛方向，當驅動裝置相向轉動時控制縱向的前進與后退，同向轉動時控制蟹塘投飼船橫向的進退，且行駛方向與轉向一致。
Δω=ωi-ωj
(1)
k=ωj/ωi
(2)
(3)
式中：Δω表示內外側驅動裝置角速度差，rad/s；k表示內外側驅動裝置轉動角速度比值；l表示驅動裝置中心軸的軸距，m；P表示螺旋葉片螺距，m；RT表示轉向半徑，m；ωT表示轉向角速度，rad/s。
螺旋驅動裝置在水體中的行駛效果與結構參數相關，針對不同的應用環境進行結構參數調整，蟹塘投飼船的螺旋驅動裝置結構參數示意圖如圖2所示，由一個中空圓筒與纏繞在圓筒上的兩條交錯螺旋葉片組成，螺旋葉片高dl、厚ds，有效長度為L，它與螺距的關系根據文獻[22]可表達為：
圖2 螺旋驅動裝置結構參數示意圖Fig.2 Schematic diagram of structure parameters ofscrew drive device
L=N·P
(4)
式中：L表示螺旋葉片有效長度，mm；N表示螺旋葉片數量；P表示螺旋葉片螺距，mm。
螺旋葉片N的數量通常選擇在2～3片，這里選擇N=2。螺旋驅動裝置的直徑為浮筒直徑dm與葉片高度dl之和，表示為：
D=dm+2dl
(5)
式中：D表示螺旋驅動裝置直徑，mm；dm表示浮筒直徑，mm；dl表示葉片高度，mm。
圓筒上的兩螺旋葉片螺距相同，螺距P與葉片間隙δ的大小成正比，螺距P與螺旋升角η的數學關系表達為[23]：
P=π(D+dl)tanη
(6)
式中：P表示螺旋葉片螺距，mm；D表示螺旋驅動裝置直徑，mm；dl表示葉片高度，mm；η表示螺旋升角，(°)。
(7)
(8)
F=ρ水Vg
(9)
河蟹池塘養殖過程中，河蟹苗種的放養規格一般為150～200只/kg，每畝放養數量在650～700只范圍間，其飼料投喂需根據“兩頭精，中間青”投喂原則，即春秋主要以動物飼料為主，夏季投喂植物性飼料。飼料的投喂還基于天氣、攝食活動強弱以及河蟹自重等條件進行調整性投飼[25-26]，因此，蟹塘投飼船應兼具投飼量可調性和應用便利性。根據表1可知船體自重為12.1 kg，考慮到投飼所需載重量與蟹塘投飼船的安全余量，兩驅動裝置應具有40 kg載重量，根據公式(7)～(9)可以算出浮筒體積應為0.02 m3。由于驅動裝置的浮力主要由浮筒提供，螺旋葉片所提供浮力可忽略不計，浮筒直徑Dm和螺旋葉片有效長度L可根據所需外觀設計基于浮力需求做出調整。為了整體美觀，驅動裝置有效長度L為660 mm，浮筒直徑為200 mm。
表1 船體組成及質量Tab.1 Hull composition and mass
2 螺旋驅動裝置計算模型構建
2.1 計算域與網格劃分
螺旋驅動裝置的計算域分為靜止域與旋轉域，其中旋轉域采用運動坐標系，旋轉域在靜止域中以一定轉速轉動。螺旋驅動裝置直徑為D，為了準確模擬螺旋驅動裝置的流場分布情況，將計算域大小設置如下：靜止域直徑為5D，旋轉域前端與入口距離設置為4D，旋轉域后端與出口距離為15D，旋轉域直徑為1.2D，長度設置為驅動裝置長度的1.2倍。完成驅動裝置的計算域設置后進行網格劃分，網格劃分情況決定數值模擬的準確性[27-28]。為了對比驗證粗網格劃分、分區劃分與細網格劃分方式的計算速率以及計算的準確性，進行了網格無關性驗證，如表2所示。
表2 網格無關性驗證Tab.2 Meshes independence verification
根據表2數據，在權衡了仿真效率與準確性的情況下，螺旋驅動裝置計算域應采用分區劃分。將結構復雜且對網格質量要求高的螺旋驅動裝置采用單元網格為0.014D的細網格劃分，旋轉域使用單元網格大小為0.3D的中等網格，靜止域為驅動裝置流場，對網格質量的要求不高，因此采用粗網格劃分，單元網格為1.2D。分區劃分完成后網格數量在500 000～550 000間，網格的整體劃分如圖3所示。
圖3 計算域的網格劃分Fig.3 Calculation domain meshing
2.2 流動控制方程與湍流模型
螺旋驅動裝置繞縱向軸軸向在近似勻速的水體中做旋轉運動，RANS方程是黏性流體運動學和動力學的普適性控制方程[29]，水作為不可壓縮黏性流體，可采用平均雷諾(Reynolds-averaged Navier-Stokes，RANS)方程，驅動裝置在流場中的連續方程與運動方程表達式如下：
(10)
(11)
(12)
( 13 )
2.3 邊界條件設置
CFD仿真求解器時間選擇穩態，設置新增流體材料水(water-liquid (h2o
3 螺旋驅動裝置水動力性能分析
3.1 計算模型具體參數
為研究螺旋葉片高度與螺距對驅動裝置水動力性能的影響，使用SolidWorks建立驅動裝置三維模型，對其螺旋葉片的高度與螺距進行流體仿真分析。螺旋驅動裝置模型的浮筒直徑均為200 mm，螺旋葉片厚度為16 mm，有效長度640 mm。螺旋葉片高度仿真試驗組建立32個計算模型，螺距為255 mm、284 mm、320 mm以及366 mm，每個螺距均對應葉片高度dl在44～72 mm，步長為4 mm。在獲取了范圍44～72 mm內水動力性能較好的葉片高度前提下，保持葉片有效長度不變，建立范圍在213～512 mm內的8組不同螺距的螺旋驅動裝置計算模型，每組螺距以0.25螺旋葉片圈數為步長，且為了保持驅動裝置的美觀性，對每個螺距做出了1～5 mm的調整。
3.2 不同葉片高度下的水動力性能
以葉片高度試驗組進行水動力仿真分析，根據射流速度結果繪制的趨勢線如圖4所示。螺旋葉片的高度在44～60 mm范圍內時，射流速度隨葉片高度上升而遞增，且在44～64 mm區間內60 mm處的射流速度為最大值。64 mm之后螺旋驅動裝置射流速度繼續呈上升趨勢，整體趨勢上，除去60 mm處的射流速度在44～64 mm范圍內增長值較大，螺旋驅動裝置射流速度隨葉片高度增加而遞增。
圖4 不同葉片高度下的射流速度Fig.4 Jet velocity at different blade heights
根據葉片高度仿真試驗組的模擬計算，8個葉片高度下螺旋驅動裝置所受阻力趨勢線如圖5，所受阻力在44～56 mm與64～72 mm區間內隨螺旋葉片長度變大而增加，從總體的增長趨勢觀察，驅動裝置受到的阻力與葉片高度的增加成正比，斜率范圍在8～10.6之間。
圖5 不同葉片高度下的阻力Fig.5 Resistance at different blade heights
由葉片高度的射流速度與所受阻力的趨勢線分析，葉片高度在44 mm時的射流速度與所受阻力最小，為了分析驅動裝置在葉片高度44～72 mm范圍內水動力性能，以44 mm螺旋葉片高度為基準值，計算其余葉片高度相對于44 mm處的3個增長率——射流速度增長率、所受阻力增長率、增長率比值C。其中增長率比值C為：
(14)
式中：C表示增長率比值；Gr1表示射流速度增長率；Gr2表示所受阻力增長率。
增長率比值越大，相對44 mm所提高的水動力性能越大，具體數據如3所示。
分析表3中數據，60 mm處射流速度增長率增幅較大，所受阻力增長率增幅較小，此外隨著葉片高度的增加，射流速度增長率與所受阻力增長率隨之遞增。由于分子分母均為增長趨勢，增長率比值C的數值增長呈現非線性。同時在48～72 mm葉片高度范圍內，以44 mm葉片高度為參考值，C在葉片高度取60mm時總能達到最大值，水動力性能增長幅度較大。葉片高度60 mm下的螺旋驅動裝置流線分布截面圖如圖6。
表3 同一螺距下不同葉片高度的增長率及增長率比值
圖6 葉片高度60mm下的螺旋驅動輪流線分布截面圖Fig.6 Section diagram of streamline distribution of helical drive device at blade height of 60 mm
3.3 不同螺距下的水動力性能
葉片高度試驗組的計算分析驗證了44～72 mm范圍內取60 mm時水動力增幅較大，因此保持葉片高度為60 mm，對螺距范圍在213～512 mm的8個驅動裝置模型進行計算分析。如圖7所示，觀察不同螺距下射流速度的趨勢線可知，螺旋驅動裝置射流速度與螺距無明顯的線性關系。根據圖8中所受阻力的趨勢線，所受阻力與螺距成正比，斜率為1.65且R平方值為0.98，趨勢線擬合度高。
圖7 不同螺距下射流速度Fig.7 Jet velocity at different pitch
圖8 不同螺距下所受阻力Fig.8 Resistance at different pitch
由于螺距與射流速度沒有明顯的線性關系，為研究螺距在213～512mm范圍內驅動裝置水動力性能的增長情況，將螺距為195 mm時的射流速度與所受阻力擬作為基準值，以此計算該范圍螺距下的增長率比值C，C越大水動力性能提升越明顯。根據表4數據，驅動裝置的增長率比值在螺距255 mm處取最大值0.25，驅動裝置在此處的水動力性能增長幅度較大。不同螺距下的流場分布情況如圖9所示。
表4 60mm葉片高度下不同螺距的增長率比值Tab.4 Growth rate ratio of different pitch at 60 mm blade height
圖9 不同螺距下的流線截面圖Fig.9 Streamline section diagram at different pitch
4 小型樣機試驗驗證
4.1 小型樣機試驗
為驗證螺旋驅動裝置在水中的行駛狀況，采用1∶4的比例設計了一臺重2 kg的小型樣機，其驅動裝置的浮筒直徑50 mm，長為165 mm，螺旋葉片螺距90 mm，葉片高6 mm，如圖10a所示。小型樣機驅動裝置內部中空，將驅動電機放置于驅動裝置內部，以縮小重心與形心的距離。驅動裝置中的驅動電機設有防水措施，樣機前端的錐形結構有助于減小所受阻力。
試驗場地選擇在上海海洋大學人工湖，進行小型樣機螺旋驅動裝置在水中的阻力試驗，如圖10b所示。在滿速條件下使用拉力計測量所受阻力，重復測量15次，取試驗所測阻力平均值為2.33 N。
圖10 小型樣機水上阻力測試試驗Fig.10 Small prototype water resistance test experiment
4.2 小型樣機數值模擬與對比驗證
為確保驅動裝置螺旋葉片參數與水動力性能的關系具有普適性，同時驗證數值模擬結果的準確性，基于小型樣機參數，分別就63.5、70、80和90 mm 4個螺距，建立螺旋葉片高度為6～20 mm的36個驅動裝置計算模型，以仿真結果繪制趨勢線。根據圖11射流速度趨勢線，P70與P80在葉片高度為6～20 mm范圍內射流速度隨葉片高度的增加而遞增，P63.5與P90總體也呈增長趨勢。圖12中驅動裝置所受阻力在6～20 mm范圍內與葉片高度成正比。兩趨勢線的R平方值均在0.98以上，具有較高的擬合度。驅動裝置的螺旋葉片參數與水動力性能關系具有普適性。
圖11 射流速度趨勢線Fig.11 Jet velocity trend line
圖12 所受阻力趨勢線Fig.12 The resistance trend line
螺旋驅動裝置的1∶1計算模型的阻力計算結果為1.22 N，由于樣機所測為兩個驅動裝置所受阻力，將水面試驗所測阻力除2得1.165 N，對比可知誤差為4.72%。參照文獻[33]在三葉螺旋槳水動力性能分析中仿真與試驗的誤差控制在6%，本研究數值模擬結果與試驗結果誤差在5%以內在可接受范圍內，證明了螺旋驅動裝置的水動力計算模型具有可行性。
5 結論
為了實現河蟹池塘的全塘均勻投喂，設計了一種能行駛于水草環境的蟹塘投飼船，并根據投飼需求對螺旋驅動裝置參數進行設計。在此基礎上，為研究螺旋驅動裝置葉片參數與水動力性能之間的關系，針對螺旋葉片構建了44～72 mm范圍的高度試驗組與213～512 mm范圍的螺距試驗組，以Ansys fluent為平臺，采用控制變量法，對兩試驗組計算模型進行數值模擬計算。射流速度試驗表明射流速度隨葉片高度上升遞增而螺距與射流速度無線性關系。阻力試驗表明，螺旋葉片的高度與所受阻力成正比，趨勢線斜率在8～10.6之間，葉片螺距與所受阻力成正比，斜率為1.65。綜合考慮了兩個參數，驅動裝置螺旋葉片的葉片高為60 mm且螺距為255 mm時，其水動力性能表現較為優異。同時，小型樣機試驗與對比分析結果顯示仿真模型與物理模型試驗誤差為4.72%，小于5%，驗證了所提出的螺旋驅動裝置水動力仿真分析方法的可行性與可靠性。
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