雙開縫矩形曲面網(wǎng)板水動力性能及影響參數(shù)研究

陳 剛，崔秀芳，初文華，王宏宇，石福孝，李培培

（1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306；2.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；3.國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；4.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306）

網(wǎng)板是單船拖網(wǎng)的重要屬具，其水動力性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到拖網(wǎng)生產(chǎn)的漁獲性能和經(jīng)濟(jì)效益。21世紀(jì)以來漁業(yè)迅速發(fā)展，而漁具裝備越來越無法滿足現(xiàn)代漁業(yè)的需求，其中網(wǎng)板的性能亦需進(jìn)一步的優(yōu)化。

迄今，國內(nèi)外學(xué)者對網(wǎng)板水動力性能進(jìn)行了較多的研究，YUKI等［1］通過不同間距和交錯角度對雙層網(wǎng)板周圍的流場影響進(jìn)行了研究；XU等［2-6］通過不同展弦比網(wǎng)板水動力性能和流態(tài)分布的影響進(jìn)行了研究；王磊等［7-9］通過不同導(dǎo)流板對立式網(wǎng)板水動力性能影響進(jìn)行了研究；劉健等［10-14］通過不同速度和多導(dǎo)流板對立式曲面網(wǎng)板水動力性能影響進(jìn)行了研究；饒欣等［15-17］通過不同速度、曳綱和手綱連接點(diǎn)位置及展弦比對立式曲面V型網(wǎng)板受力影響進(jìn)行了研究；莊鑫等［18-19］通過數(shù)值模擬的方法對網(wǎng)板周圍流態(tài)進(jìn)行了可視化研究；劉圣聰［20］通過數(shù)值模擬的方法對網(wǎng)板升阻比和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。然而上述學(xué)者主要是通過風(fēng)洞和水槽實(shí)驗(yàn)法研究各種網(wǎng)板的水動力性能，并未考慮多種因素對其水動力性能的影響。

目前中國近海漁業(yè)普遍采用小型漁船作業(yè)，而迄今對于近海小型漁船所用的小型網(wǎng)板水動力性能的相關(guān)研究開展較少，且絕大多數(shù)通過風(fēng)洞和水槽實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，成本高昂，不利于觀察流態(tài)的變化；隨著計算機(jī)的高速發(fā)展，數(shù)值模擬方法逐漸被應(yīng)用各種場合，計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)也被應(yīng)用到網(wǎng)板性能優(yōu)化中來，而數(shù)值模擬的方法則可以彌補(bǔ)風(fēng)洞和水槽實(shí)驗(yàn)的不足。本文對一種雙開縫矩形曲面網(wǎng)板的水動力性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了沖角、速度、開縫尺寸和展弦比對網(wǎng)板水動力性能的影響，以期為網(wǎng)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)值模型

1.1.1 控制方程

本文假設(shè)各向同性、不可壓縮的流體，控制目標(biāo)方程包括連續(xù)性方程和N-S方程：

式（1）～（2）中：t為時間（s）；→V為流體速度（m·s-1）；F→為體積力（N）；p為壓力（N）；μ為流體的動力粘度系數(shù)（kg·m-1·s-1）；ρ為密度（kg·m-3）。

1.1.2 參數(shù)定義

描述拖網(wǎng)網(wǎng)板水動力特性的參數(shù)主要有升阻比K、升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd、雷諾數(shù)Re。計算公式如下：

式（3）～（6）中：ρ為流體密度（kg·m-3）；b為網(wǎng)板弦長（m）；V為來流速度（m·s-1）；μ為流體動力粘度（kg·m-1·s-1）；Fd為網(wǎng)板阻力（N）；S為網(wǎng)板面積（m2）；Fl為網(wǎng)板擴(kuò)張力（N）。

1.1.3 結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

本文所采用的計算模型為普通碳鋼雙開縫矩形曲面網(wǎng)板，該類型網(wǎng)板使用于底層拖網(wǎng)或中層拖網(wǎng)網(wǎng)具。翼弦長b=2 400 mm，翼展l=1 460 mm，開縫寬度d=50 mm；在此基礎(chǔ)上，采用三維建模軟件進(jìn)行三維建模，模型如圖1。

1.2 矩形網(wǎng)板水動力性能計算模型參數(shù)設(shè)置

由于網(wǎng)板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在研究水動力性能時是非必要部件，本文對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，如包邊、曳綱連接件、耳柄等對網(wǎng)板水動力性能沒有影響，在計算時對其省略建模。

為計算網(wǎng)板結(jié)構(gòu)水動力性能，本文采用計算流體力學(xué)軟件對網(wǎng)板結(jié)構(gòu)周圍流場網(wǎng)格劃分如圖2-a所示，靠近網(wǎng)板的區(qū)域選擇棱柱網(wǎng)格，遠(yuǎn)場區(qū)域選擇四面體網(wǎng)格（即非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格）來進(jìn)行計算。計算區(qū)域如圖2-b所示，單元數(shù)約為1.1×107個，節(jié)點(diǎn)單元數(shù)約為2.6×106個。

圖1 網(wǎng)板結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Otter board structure model

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

選擇計算流場模型選擇RNGk-ε模型。上游入口處設(shè)定為速度入口邊界（velocity inlet），方向沿X軸正向的均勻流，速度V=1 m·s-1，湍流強(qiáng)度設(shè)定為5%，湍流強(qiáng)度比設(shè)定為10，下游出口設(shè)定為完全發(fā)展自由出流邊界（outflow），網(wǎng)板結(jié)構(gòu)表面及計算域邊界設(shè)定為不可滑移壁面（noslip wall）。

1.3 計算參數(shù)設(shè)置

為充分滿足網(wǎng)板水動力性能在不同參數(shù)影響下所得仿真結(jié)果全面覆蓋所有實(shí)際情況的可能性。因此，本文經(jīng)過將模型簡化后建立了如下4組對比計算模型：

（a）沖角是影響網(wǎng)板水動力性能的關(guān)鍵工作參數(shù)，為分析來流沖角α對該網(wǎng)板水動力性能的影響，在來流速度為1 m·s-1時，其他因素均相同的條件下網(wǎng)板迎流沖角α分別設(shè)置為：0°、5°、10°、15°、20°、30°、40°、50°、60°、70°進(jìn)行仿真。

（b）在其他因素均相同的條件下分別設(shè)置來流速度V為：0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75、2、2.25、2.5、3 m·s-1進(jìn)行仿真。

（c）本文所計算的矩形曲面網(wǎng)板為雙開縫網(wǎng)板，為分析開縫尺寸大小對該網(wǎng)板水動力性能的影響，在來流速度為1 m·s-1、沖角為40°時，其他因素均相同的條件下網(wǎng)板開縫尺寸（水平投影寬度）分別取為：30、40、50、60 mm進(jìn)行仿真。

（d）本文為分析展弦比大小對該網(wǎng)板水動力性能的影響，在來流速度為1 m·s-1、不同沖角，其他因素均相同的條件下網(wǎng)板展弦比分別取0.4、0.6、0.8、1.0、1.2進(jìn)行仿真。

2 結(jié)果與分析

2.1 沖角對網(wǎng)板水動力性能的影響

圖3給出了在來流速度為1m·s-1時矩形曲面網(wǎng)板阻力系數(shù)Cd、升力系數(shù)Cl及升阻比K隨沖角的變化情況。

圖3顯示，隨沖角的增加，網(wǎng)板的升力系數(shù)呈先增后減的趨勢，在40°左右達(dá)到最大值；而阻力系數(shù)則在70°范圍內(nèi)隨沖角的增加持續(xù)增大，二者同時的作用下，隨沖角的增加，網(wǎng)板的升阻比同樣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，但最大升阻比出現(xiàn)在沖角為10°左右。

圖4給出了網(wǎng)板在不同沖角下的流場速度矢量圖，從圖4中可看出，隨著沖角α的增加，網(wǎng)板迎流面與背流面速度差異逐漸增大，由流體動力學(xué)理論可知，網(wǎng)板的升力系數(shù)也將隨著沖角的增加而逐漸增大。但在沖角增大到30°左右時，網(wǎng)板背流面開始出現(xiàn)明顯的邊界層分離，且在靠近尾部的區(qū)域出現(xiàn)較為明顯的漩渦，當(dāng)沖角增加到50°時，網(wǎng)板背部的漩渦已十分明顯，這一漩渦的出現(xiàn)會導(dǎo)致網(wǎng)板升力系數(shù)的顯著下降。

圖3 網(wǎng)板升力系數(shù)、阻力系數(shù)及升阻比隨沖角的變化規(guī)律Fig.3 Variations of lift coefficient，drag coefficient and lift-drag ratio of otter board

圖4 網(wǎng)板不同沖角下周圍流場速度分布圖Fig.4 Flow velocity distribution around the otter board at different angles of attack

2.2 速度對網(wǎng)板水動力性能的影響

由式（4）和式（5）可以推斷出，阻力系數(shù)和升力系數(shù)與速度無關(guān)，為驗(yàn)證推斷，圖5給出了矩形曲面網(wǎng)板在不同沖角下的升力系數(shù)隨速度變化的規(guī)律。可以看出，在同一沖角下，矩形曲面網(wǎng)板的升力系數(shù)隨速度的增加無明顯變化趨勢。

圖5 不同沖角下矩形曲面網(wǎng)板升力系數(shù)隨速度變化規(guī)律Fig.5 Variations of lift coefficient of rectangular mesh plate with velocity under different angles of attack

2.3 開縫尺寸對網(wǎng)板水動力性能的影響

圖6 給出了網(wǎng)板在來流速度為1 m·s-1、沖角為40°時升力系數(shù)及升阻比K隨開縫尺寸的變化情況。

結(jié)果顯示，開縫尺寸對于矩形曲面網(wǎng)板的水動力性能有較為明顯的影響。升力系數(shù)隨開縫尺寸的增加總體呈增大的趨勢，當(dāng)開縫尺寸大于50 mm時，升力系數(shù)無顯著變化；而升阻比隨開縫尺寸的增加呈先增加后減小的趨勢，在開縫尺寸達(dá)到60 mm左右時，升阻比達(dá)到最高值。

2.4 展弦比對網(wǎng)板水動力性能的影響

本文為分析展弦比大小對該網(wǎng)板水動力性能的影響，將展弦比分別設(shè)置為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2，計算其在來流速度為1 m·s-1、不同沖角的水動力性能。圖7給出了網(wǎng)板升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd及升阻比K隨開縫尺寸的變化情況。

圖6 矩形曲面網(wǎng)板開縫尺寸對水動力性能的影響Fig.6 Effect of slit size of rectangular curved mesh plate on hydrodynamic performance

圖7 矩形曲面網(wǎng)板展弦比對水動力性能的影響Fig.7 Influence of the aspect ratio of rectangular curved otter board on hydrodynamic performance

從圖7可以看出，矩形曲面網(wǎng)板的水動力性能受展弦比的影響十分顯著。對于網(wǎng)板的擴(kuò)張效果方面來說，從圖7-a中可以看出，不同展弦比的網(wǎng)板在升力系數(shù)達(dá)到最大時對應(yīng)的最佳沖角隨展弦比的增加而逐漸減小。同時，升力系數(shù)峰值隨展弦比的增加呈先增后減的趨勢，當(dāng)展弦比為0.6左右時，升力系數(shù)的峰值達(dá)到最大；在30°沖角范圍內(nèi)，展弦比小于0.6時，升力系數(shù)隨展弦比的增加而顯著增加，當(dāng)展弦比大于0.6時，升力系數(shù)隨展弦比的增加無顯著變化。從升阻比角度考察不同展弦比網(wǎng)板的總體性能可以看出（如圖7-b所示），在一定范圍內(nèi)，矩形曲面網(wǎng)板的升阻比隨展弦比的增加而增大。

3 小結(jié)

網(wǎng)板的水動力性能是網(wǎng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化的關(guān)鍵。本文針對雙開縫矩形曲面網(wǎng)板的受力特點(diǎn)，基于計算流體力學(xué)（CFD）方法，建立網(wǎng)板結(jié)構(gòu)在流場中作業(yè)的三維數(shù)值模型，對其水動力性能進(jìn)行分析研究，得出了以下主要結(jié)論：

1）隨著沖角的增大，網(wǎng)板升力系數(shù)和升阻比都是呈現(xiàn)先增后減的趨勢，升力系數(shù)最大值出現(xiàn)在40°左右，而升阻比最大值出現(xiàn)在10°左右。

2）在同一沖角下，矩形曲面網(wǎng)板的升力系數(shù)隨速度的增加無明顯變化趨勢。

3）升力系數(shù)隨開縫尺寸的增加總體呈增大的趨勢，當(dāng)開縫尺寸大于50 mm時，升力系數(shù)無顯著變化；而升阻比隨開縫尺寸的增加呈先增加后減小的趨勢，在開縫尺寸達(dá)到60 mm左右時，升阻比達(dá)到最高值。

4）不同展弦比的網(wǎng)板在升力系數(shù)達(dá)到最大時對應(yīng)的最佳沖角隨展弦比的增加而逐漸減??；同時，升力系數(shù)峰值隨展弦比的增加呈先增后減的趨勢，當(dāng)展弦比為0.6左右時，升力系數(shù)的峰值達(dá)到最大。在一定范圍內(nèi)，矩形曲面網(wǎng)板的升阻比隨展弦比的增加而增大。