二維平板流態(tài)的CFD模擬分析

劉莉莉，金 煒，虞聰達(dá)

（浙江海洋學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院，浙江舟山 316022）

二維平板流態(tài)的CFD模擬分析

劉莉莉，金 煒，虞聰達(dá)

（浙江海洋學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院，浙江舟山 316022）

應(yīng)用fluent軟件，利用控制變量的方法，改變沖角和流速，對(duì)二維平板周圍流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，揭示了二維平板在不同沖角及不同流速中周圍流態(tài)的變化趨勢(shì)：（1）平板置于定常流中，其兩端會(huì)不斷產(chǎn)生渦流，渦流會(huì)向后方漂移脫落，且前端產(chǎn)生的渦流中心速度大于后端產(chǎn)生的渦流中心速度；（2）平板后方形成的渦流中心流速隨沖角的增大而增大，速度梯度更明顯；平板前后端交替出現(xiàn)相反方向的渦流的現(xiàn)象更加明顯和富有規(guī)律性；（3）流速（雷諾數(shù)）越大，渦流運(yùn)動(dòng)越劇烈，流線變化幅度越大，渦流中心間距越短。

二維平板；數(shù)值模擬；流態(tài)

單拖網(wǎng)是漁業(yè)生產(chǎn)捕撈作業(yè)的重要方式之一。在我國(guó)各大海區(qū)，單拖網(wǎng)作業(yè)形式應(yīng)用廣泛。網(wǎng)板作為單拖網(wǎng)捕撈作業(yè)的主要構(gòu)件，有著以下幾方面的作用：一是利用其擴(kuò)張力實(shí)現(xiàn)網(wǎng)具的水平擴(kuò)張；二是起著沉降器的作用，使網(wǎng)具處于一定的水層；三是驅(qū)集魚群入網(wǎng)的作用?？梢?，網(wǎng)板的水動(dòng)力學(xué)特性將直接關(guān)系網(wǎng)板的作業(yè)性能，進(jìn)而影響到漁獲量以及漁民的經(jīng)濟(jì)收入，這對(duì)網(wǎng)板在節(jié)能、高效、低耗等方面提出了更高的要求，而關(guān)鍵問(wèn)題是要掌握和了解網(wǎng)板周圍的流體[1]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)網(wǎng)板的研究較多，早在上個(gè)世紀(jì)70年代，陳興崇[2-3]總結(jié)了網(wǎng)板的類型以及各類型網(wǎng)板水動(dòng)力性能的優(yōu)劣。利用風(fēng)洞和水槽進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)網(wǎng)板優(yōu)劣的重要手段，如日本PARK等[4]對(duì)不同種類的網(wǎng)板進(jìn)行了水動(dòng)力性能的研究，分別對(duì)不同展弦比的網(wǎng)板在自由水流和貼底水流兩種狀態(tài)下的水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行測(cè)定；關(guān)長(zhǎng)濤等[5]對(duì)大型拖網(wǎng)網(wǎng)板性能進(jìn)行了對(duì)比性研究，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為立式曲面縫翼式網(wǎng)板的綜合性能較好，故把它作為國(guó)產(chǎn)化配套網(wǎng)板的基本形式，較好地解決了遠(yuǎn)洋單拖網(wǎng)板的國(guó)產(chǎn)化配套問(wèn)題；虞聰達(dá)等[6]對(duì)單船拖網(wǎng)柔性網(wǎng)板進(jìn)行研究，理論上對(duì)柔性網(wǎng)板實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口擴(kuò)張的可行性進(jìn)行了論證，通過(guò)水槽模型試驗(yàn)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)柔性網(wǎng)板的實(shí)用性提出了看法；王錦浩等[7]對(duì)立式V型曲面網(wǎng)板的水動(dòng)力性能進(jìn)行研究，指出影響網(wǎng)板水動(dòng)力性能的最重要的因素是網(wǎng)板板面折角，其次是展弦比和后退角；劉健等[8]研究了小展弦比立式曲面網(wǎng)板的水動(dòng)力性能，得出該網(wǎng)板的最佳工作沖角范圍為15°～30°的結(jié)論。隨著CFD軟件的迅速發(fā)展，為解決各類復(fù)雜的流體力學(xué)問(wèn)題提供了新方法，也逐漸有學(xué)者開始將其應(yīng)用到網(wǎng)板的流體模擬中，如李崇聰[9]利用Fluent軟件數(shù)值模擬，再通過(guò)水槽模型試驗(yàn)來(lái)研究近岸小型拖網(wǎng)漁船使用的V型網(wǎng)板在水槽當(dāng)中的水動(dòng)力性能。

本文作為對(duì)網(wǎng)板周圍流體特性的初步研究，采用簡(jiǎn)化模型二維平板作為研究對(duì)象，應(yīng)用CFD軟件研究二維平板周圍流態(tài)，對(duì)二維平板在不同沖角、不同流速等不同情況下周圍的流體速度大小和方向進(jìn)行模擬仿真和可視化研究，以期為生產(chǎn)制造者和科研人員在對(duì)網(wǎng)板的良好設(shè)計(jì)制作以及理論研究方面提供一定的參考依據(jù)。

1 網(wǎng)板水動(dòng)力特性相關(guān)因素

1.1 網(wǎng)板沖角

網(wǎng)板在使用時(shí)，網(wǎng)板平面與水流方向呈一定夾角，所受作用力如圖1所示，F(xiàn)為水流對(duì)網(wǎng)板的水總動(dòng)壓力。它可以被分解為與與網(wǎng)板運(yùn)動(dòng)方向垂直的擴(kuò)張力Fy和運(yùn)動(dòng)方向相平行的阻力Fx。

圖1 網(wǎng)板上的水動(dòng)力Fig.1 Hydrodynamic force on otter board

上式中，F(xiàn)表示網(wǎng)板的總水動(dòng)力（N），F(xiàn)x和Fy分別表示網(wǎng)板的阻力（N）和升力（N）；C代表網(wǎng)板總水動(dòng)力系數(shù)，Cx和Cy分別表示網(wǎng)板的阻力系數(shù)和升力系數(shù)；S是網(wǎng)板面積（m2）；ρ是海水密度（kg/m3）；V為水流與網(wǎng)板的相對(duì)速度（m/s）。

1.2 雷諾數(shù)

水動(dòng)力性能還與雷諾數(shù)相關(guān)，雷諾數(shù)與流體的流速有關(guān)，流速越大，雷諾數(shù)也就越大。雷諾數(shù)公式為：

V表示流體的流速，d表示平板厚度，μ是流體的粘性系數(shù)。當(dāng)雷諾數(shù)小于2 300，粘性力起主導(dǎo)作用，流態(tài)為層流；雷諾數(shù)大于2 300小于4 000時(shí)，流體流動(dòng)屬于過(guò)渡區(qū)；雷諾數(shù)大于4 000時(shí)，慣性力為主導(dǎo)作用，流態(tài)為湍流。

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)方法

本文應(yīng)用Fluent軟件對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值模擬分析，首先經(jīng)過(guò)Gambit軟件設(shè)計(jì)模型：本文以矩形網(wǎng)板作為原型參照物，在取其剖面的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)二維平板作為數(shù)值模擬對(duì)象，其剖面尺寸大小為：長(zhǎng)度2 m，厚度0.2 m。將該二維平板置于一定常流域中心偏左位置，該流域呈矩形，水平長(zhǎng)度為10 m，垂直寬度為5 m，即流體計(jì)算區(qū)域尺寸大小為10 m×5 m。流體定義為水，左側(cè)為水流入口，右側(cè)為水流出口。將流體區(qū)域的矩形長(zhǎng)度為10m的兩條邊劃分段數(shù)為100；寬度為5 m的兩條邊劃分段數(shù)為50。平板區(qū)域的矩形長(zhǎng)度2 m的兩條邊劃分段數(shù)為20；寬度為0.2 m的兩條邊劃分段數(shù)為2。邊網(wǎng)格劃分完成之后進(jìn)行面的網(wǎng)格劃分，以圖2所示沖角為30°的平板為例，總共將流體計(jì)算區(qū)域劃分成了不同面積大小的網(wǎng)格4 960個(gè)。而后再經(jīng)過(guò)Fluent求解器求解所需的計(jì)算結(jié)果，本文求解器選擇二階隱性進(jìn)行求解。本文對(duì)來(lái)流速度為0.5m/s時(shí)，平板沖角為0°、20°、40°、60°、90°的情況以及平板沖角為30°，來(lái)流速度為0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s的情況進(jìn)行了流體計(jì)算，并且達(dá)到收斂。最后將各個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果分別導(dǎo)入到Tecplot軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 相同沖角與相同流速下不同時(shí)刻的流態(tài)變化

圖3（a）～圖3（d）顯示的是在二維平板沖角為30°、流速為0.5 m/s的狀態(tài)下，在一個(gè)近似周期（0.51 s）內(nèi)不同時(shí)刻（0.03 s、0.12 s、0.36 s、0.51 s）的平板周圍流速大小變化圖。圖最右邊的顏色條從下至上共分為15階，顏色不同代表的速度大小不同，冷色端速度小，暖色端速度大。從圖中的顏色變化可以判斷計(jì)算的流體區(qū)域各部分速度大小的變化趨勢(shì)。流態(tài)顯示為復(fù)雜不穩(wěn)定的湍流，此時(shí)雷諾數(shù)Re為0.84×105。

從圖3（a）中可以知道，當(dāng)來(lái)流經(jīng)過(guò)平板時(shí)，平板邊界層流速較小，貼近平板處幾乎為零，平板前端背流面和末端迎流面在流體經(jīng)過(guò)后開始漸漸形成了兩個(gè)速度大小不一致的漩渦，前端漩渦中心速度略大于后端漩渦中心速度，且?guī)缀踹_(dá)到來(lái)流速度的兩倍。隨著時(shí)間推移，漩渦向后漂移，前端漩渦中心速度進(jìn)一步增大，且在平板背流面上下兩個(gè)漩渦間出現(xiàn)高壓區(qū)，速度較低（圖3（b））。而到了下一個(gè)時(shí)刻圖3（c）時(shí)，可見上下兩個(gè)漩渦已經(jīng)先后從平板處分離，平板前端的漩渦剛剛脫離平板，末端的漩渦很明顯已經(jīng)漂遠(yuǎn)，新的末端漩渦正在生成。此時(shí)，前端漩渦中心點(diǎn)速度依然高于末端漩渦中心速度，且速度大小比來(lái)流速度高于兩倍有余。圖3（d）中顯示，前端漩渦已經(jīng)漂遠(yuǎn)，且新的漩渦正在生成，末端漩渦正在不斷壯大。平板背流面上下兩個(gè)漩渦的中間地帶存在復(fù)雜不穩(wěn)定的高壓漩渦和低壓漩渦。

圖3 流態(tài)變化圖（α=30°，V=0.5 m/s）Fig.3 Diagram of flow state variation(α=30°,V=0.5 m/s)

3.2 不同沖角同一流速下平板周圍的流態(tài)

圖4（a）～（e）表示的是流速為0.5 m/s，沖角為0°，20°，40°，60°，90°的情況下的同一時(shí)刻的平板周圍流速大小分布變化圖及其相對(duì)應(yīng)的速度矢量圖。圖4（a1）～圖4（g1）表示流速大小分布變化圖，其表示方法同上。圖4（a2）～圖4（g2）表示速度矢量變化圖。箭頭表示的是流體質(zhì)點(diǎn)的流線，箭頭的方向代表的是受到平板影響的流體的運(yùn)動(dòng)方向，箭頭的疏密顯示速度大小不同。

從圖4中可以看出，隨著沖角的增大，平板周圍的流態(tài)變化差別很大。從圖4（a1）～圖（g1）可以看到，在沖角為0°情況下，平板周圍速度大小表現(xiàn)的比較平緩，流速梯度分布不大，最大速度與來(lái)流速度幾乎持平，只在平板后端產(chǎn)生一段低速區(qū)域，并在后方產(chǎn)生上下波動(dòng)的低流速尾流。在沖角20°～90°時(shí)，平板的前端和后端在平板后方均會(huì)交替出現(xiàn)大小不一的漩渦，其漩渦中心流速大小隨角度增大逐漸增大。沖角20°時(shí)，漩渦中心流速大小不到來(lái)流速度的兩倍；當(dāng)沖角40°時(shí)，漩渦中心流速大小接近于來(lái)流速度的三倍；當(dāng)沖角大于60°時(shí)，漩渦中心流速大小已經(jīng)是超過(guò)來(lái)流速度的三倍有余，沖角90°時(shí)，其最大瞬時(shí)速度可達(dá)1.77 m/s?？梢娖桨宓闹車魉俅笮『蜎_角大小具有密切的關(guān)系，沖角越大，受平板影響的漩渦中心速度也越大，從而影響平板的阻力和升力。

從圖4（a2）～圖4（e2）可以看出流體質(zhì)點(diǎn)受平板影響產(chǎn)生流線方向變化，表現(xiàn)為流體質(zhì)點(diǎn)的繞流運(yùn)動(dòng)。圖4（a2）中流線變化比較平穩(wěn)，靠近流體區(qū)域邊界部分的流線與入口處的流體的流線基本是保持平行的，只在靠近平板周圍和平板的末端出現(xiàn)了不平穩(wěn)的流線，主要是受到了平板的影響。圖4（b2）～圖4（e2）平板周圍的流線變化則非常明顯，在平板后方均出現(xiàn)了或順時(shí)針或逆時(shí)針的漩渦以及不穩(wěn)定的復(fù)雜湍流。圖4（b2）平板背面呈現(xiàn)出一個(gè)順時(shí)針的低速渦流，該渦流上方的流體與其發(fā)生分離后出現(xiàn)波浪形流動(dòng)，后面的流體質(zhì)點(diǎn)則呈現(xiàn)出向后下方流動(dòng)后又向后上方流動(dòng)的形態(tài)。圖4（c2）中，平板前端的流體質(zhì)點(diǎn)在平板背流面上方較為密集，平板末端的流體質(zhì)點(diǎn)首先表現(xiàn)出一個(gè)急劇的逆時(shí)針繞流形態(tài)，與上方質(zhì)點(diǎn)匯合又表現(xiàn)出一個(gè)急劇的順時(shí)針流動(dòng)形態(tài)，再后面的質(zhì)點(diǎn)是又形成一個(gè)逆時(shí)針漩渦。該渦流下方流線密集，上方流線稀疏。圖4（d2）中，平板前端流體質(zhì)點(diǎn)在經(jīng)過(guò)平板前端后出現(xiàn)一個(gè)分流，少部分質(zhì)點(diǎn)直接順平板背面向下與平板末端的密集流線匯合后形成逆時(shí)針渦流，該渦流右側(cè)質(zhì)點(diǎn)有部分又分離后與平板前端來(lái)流的另一部分分流匯合形成順時(shí)針渦流。這種順時(shí)針和逆時(shí)針渦流周期性地交替出現(xiàn)的情形在圖4（e2）中有著更明顯的體現(xiàn)，渦列在平板后方兩端形成隨即脫落，漂離平板，漂離距離越遠(yuǎn)，渦流面積越大，流線越疏；所有順時(shí)針渦流的中心連線與逆時(shí)針渦流的中心連線平行且具有一定間距；該現(xiàn)象即著名的卡門渦列現(xiàn)象。

圖4 不同沖角下的流態(tài)變化圖Fig4 Diagram of flow state at different angle of attack

3.3 不同流速同一沖角下平板周圍的流態(tài)

圖5（a）～圖5（d）表示的是沖角為30°的二維平板在來(lái)流速為0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s情況下同一時(shí)刻的平板周圍流速大小變化圖及其相對(duì)應(yīng)的速度方向變化圖。圖5（a1）～圖5（d1）是速度梯度分布圖；圖5（a2）～圖5（d2）是速度矢量圖。0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s四種流速下的雷諾數(shù)Re經(jīng)公式（2）計(jì)算后分別為0.84×105、0.17106、0.25×106、0.34×106。

從圖5（a）～圖5（d）的變化圖來(lái)看，四組圖中流態(tài)變化比較接近。圖5（a1）～圖5（d1）中顯示，漩渦最大中心速度基本為來(lái)流速度的兩倍左右。平板后方形成的低速高壓區(qū)范圍隨著雷諾數(shù)的增大而逐漸增大。圖5（a2）～（d2）中的流線顯示，平板后方的流體質(zhì)點(diǎn)均形成一個(gè)順時(shí)針渦流，后面還有一個(gè)逆時(shí)針渦流。區(qū)別在于，兩個(gè)相反方向的渦流隨著雷諾數(shù)的增大，間距變小，處于后面位置的逆時(shí)針渦流逐漸從前一個(gè)順時(shí)針渦流的后上方位置移至緊靠順時(shí)針渦流的右下方位置。這意味著流線的變化曲度隨著雷諾數(shù)的增大

圖5不同來(lái)流速度下的流態(tài)變化圖（α=30°；V=0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s）Fig.5 Diagram of flow state variation at different inflow velocities

4 結(jié)語(yǔ)

雖然實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中網(wǎng)板的沖角一般在15°以內(nèi)，但考慮到15°角度過(guò)小，流態(tài)變化區(qū)分度不大，更為重要的是本文為基礎(chǔ)性理論研究，將沖角范圍擴(kuò)大至0°～90°內(nèi)進(jìn)行分析不僅是為增大區(qū)分度，更是為了充分和完整地了解和探索平板周圍的流態(tài)做好基礎(chǔ)性工作。

本文利用控制變量的方法，在平板沖角為0°、20°、40°、60°、90°，來(lái)流速度為0.5 m/s的情況以及沖角為30°，來(lái)流速度為0.5m/s、1m/s、1.5 m/s、2 m/s的情況對(duì)二維平板周圍流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，繪制并分析了各種工況下的流態(tài)變化，包括速度大小分布以及速度矢量方向。得到以下結(jié)論：（1）流體流經(jīng)平板時(shí)，平板的前端和末端均分別出現(xiàn)渦流，前端產(chǎn)生的渦流中心速度大于后端產(chǎn)生的渦流中心速度。渦流隨時(shí)間推移發(fā)生脫落，向后方漂移，平板兩端新的渦流繼續(xù)產(chǎn)生；（2）沖角越大，平板后方形成的渦流中心流速越大，即高壓區(qū)和低壓區(qū)差異越大，速度梯度更明顯；平板前端和末端后方交替出現(xiàn)相反方向的渦流的現(xiàn)象更加明顯和富有規(guī)律性；（3）流速（雷諾數(shù)）越大，渦流運(yùn)動(dòng)越劇烈，流線變化幅度越大，渦流中心間距越短。

[1]徐寶生,張 勛,王明彥.單船拖網(wǎng)網(wǎng)板的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].福建水產(chǎn),2010(3):86-90.

[2]陳興祟.網(wǎng)板-I[J].湛江海洋大學(xué)學(xué)報(bào),1976(1):75-79.

[3]陳興崇.網(wǎng)板-Ⅱ[J].湛江海洋大學(xué)學(xué)報(bào),1976(2):67-80.

[4]PARK C D,MATUDA K,HU F X,etal.The Effect of the Bottom on the Hydrodynamic Characteristics of the Flat Plates[J]. Nippon Suisan Gakkaishi,1993,59(1):79-84.

[5]關(guān)長(zhǎng)濤.大型拖網(wǎng)漁船網(wǎng)板性能的試驗(yàn)研究[J].海洋水產(chǎn)研究,1998,19(2):93-100.

[6]虞聰達(dá),宋偉華.單船拖網(wǎng)柔性網(wǎng)板的研究[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1999,18(1):1-9.

[7]王錦浩,王明彥,張勛等.立式V型曲面網(wǎng)板的水動(dòng)力性能[J].水產(chǎn)學(xué)報(bào),2004,28（3）：311-315.

[8]劉 健,黃洪亮,陳 帥,等.小展弦比立式曲面網(wǎng)板的水動(dòng)力性能[J].水產(chǎn)學(xué)報(bào),2013,37(11):1 742-1 749.

[9]李崇聰.V型網(wǎng)板水動(dòng)力性能和數(shù)值模擬初步研究[D].青島:中國(guó)海洋大學(xué),2012.

CFD Simulation and Analysis of Flow Status around Two-dimension Plate

LIU Li-li,JIN Wei,YU Cong-da
(Fishery School of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

By controlling variable and changing angle of attack and flow velocity,the numerical simulation study of flow status around two-dimension plate is carried out based on software Fluent.The variation tendency of flow status around the two-dimension plate with different angles of attack and flow velocities is showed as follows∶(1)when plate is placed in steady current,there are vortexes generated from both ends,which will drift backward and then fall off.Center velocity of vortex generated from front end is greater than the one from back end；（2）the center velocity of vortex behind plate is increasing with the enlargement of angle of attack,meanwhile,velocity magnitude becomes more obvious,and the phenomenon that vortexes generate alternately from both ends with opposite direction is more obvious and regular;(3)the larger the current velocity(Renolds number)is,the stronger the vortex movement is,the greater the variation amplitude of streamline is,the shorter the distance between center of vortex is.

two-dimension plate;numerical simulation;flow status

S971.4

A

1008－830X(2015)01－0086－05

2014-08-30

浙江省自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（LQ14C190002）；浙江省海洋漁業(yè)裝備技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題（MFET201405）

劉莉莉（1981-），女，浙江蘭溪人，博士，研究方向：漁具理論與數(shù)值模擬.