立式曲面網(wǎng)板水動力及周圍流場數(shù)值仿真研究

徐琦　于文明　鄭建麗　梁晶晶

摘? 要：該文研究了立式曲面網(wǎng)板在不同沖角下的水動力性能變化情況，并且對網(wǎng)板周圍流場可視化及表面壓力分布可視化進行了探究。結(jié)果表明，當網(wǎng)板雷諾數(shù)在5.2×104～9.5×104區(qū)間時，升力系數(shù)、阻力系數(shù)和力矩系數(shù)隨雷諾數(shù)增大基本保持不變，而升力系數(shù)和力矩系數(shù)隨沖角增大呈先增大后減小趨勢;阻力系數(shù)隨沖角增大一直增大。升力系數(shù)的試驗值和模擬值隨沖角增大均呈先增大后減小趨勢，阻力系數(shù)的試驗值和模擬值隨沖角增大呈一直增大趨勢，升阻比的試驗值和模擬值隨沖角均呈先增大后減小趨勢。CFD結(jié)果顯示，網(wǎng)板表面壓力分布隨沖角增大逐漸增大，而網(wǎng)板壓力中心隨沖角增大基本保持不變。

關鍵詞：網(wǎng)板;水動力性能;模型試驗;數(shù)值模擬;流場可視化;壓力分布

中圖分類號：S971.4? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）09-0064-07

Numerical Simulation Research of Hydrodynamic Force and Surrounding

Flow Field of Vertical Curved Reticular Lamina

XU Qi1，YU Wenming2，ZHENG Jianli3，LIANG Jingjing1

（1.Zhejiang Ocean University，Zhoushan? 316022，China;2.South China Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Guangzhou? 510300，China;3.Fishery Machinery and Instrument Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai? 200092，China）

Abstract：This paper studies the changes in hydrodynamic performance of the vertical curved reticular lamina at different angles of attack，discusses the differences in the results of the different studies，and visualizes the flow field and surface pressure distribution around the reticular lamina. The results show that when the Reynolds number of the stencil is in the range of 5.2×104 to 9.5×104，the lift coefficient，drag coefficient and torque coefficient remain basically the same as the Reynolds number increases，while the lift coefficient and torque coefficient are first trend decreases after the increase;the drag coefficient increases with the angle of attack. The experimental value and the simulated value of the lift coefficient both increase first and then decrease as the angle of attack increases. The experimental and simulated values of drag coefficient have been increasing with increasing angle of attack. The experimental and simulated values of lift-to-drag ratio increase first and then decrease with the angle of attack. The CFD results show that the pressure distribution on the surface of the stencil gradually increases with increasing angle of attack，while the pressure center of the stencil basically remains unchanged as the angle of attack increases.

Keywords：reticular lamina;hydrodynamic performance;model test;numerical simulation;flow field visualization;pressure distribution

0? 引? 言

網(wǎng)板是單船拖網(wǎng)作業(yè)的重要屬具之一，主要作用為實現(xiàn)網(wǎng)口擴張、增大掃海面積，其水動力性能的優(yōu)劣直接影響漁獲性能和經(jīng)濟效益[1]。因此，開展網(wǎng)板水動力性能的研究尤為重要。筆者對網(wǎng)板在不同沖角下水動力性能的變化進行了研究，探討不同研究結(jié)果的差異，并實現(xiàn)網(wǎng)板周圍流場及表面壓力分布可視化。

在設計網(wǎng)板時一般須滿足幾項條件：一是在一定拖速內(nèi)保證網(wǎng)口的擴張基本不變;二是要求網(wǎng)板具有較高擴張力和較低阻力;三是要求網(wǎng)板穩(wěn)定性好;四是要求網(wǎng)板使用簡單，維修方便[2]。Park等[3]利用水槽試驗分析了不同彎曲度的立式曲面網(wǎng)板水動力性能，得到彎曲度為15%時升力系數(shù)最大，表層作業(yè)時其最適沖角范圍大于底層作業(yè)。現(xiàn)代拖網(wǎng)網(wǎng)板已有很多改進，包括采用新的結(jié)構形式和新型材料改進網(wǎng)板水動力性能，而日本漁業(yè)研究者對立式曲面網(wǎng)板進行了改進，采用不同的曲面形狀，使得較原型網(wǎng)板曲度減小，適宜沖角范圍增大，阻力降低，廣泛應用于大、中型單船拖網(wǎng)漁業(yè)中[4]。目前為止，在我國遠洋漁業(yè)中立式曲面網(wǎng)板仍有較高的使用率。因此，開展對立式曲面網(wǎng)板水動力性能的研究，對優(yōu)化和開發(fā)新型網(wǎng)板具有十分重要的意義。

目前水槽模型試驗已成為研究網(wǎng)板水動力性能的標準方法，其具有試驗過程便于觀察、試驗條件可控的優(yōu)點，研究者可以將實物網(wǎng)板按照尺度比例制作模型進行性能測試，而不需要制作出實物網(wǎng)板進行海上實測，這樣節(jié)省了大量的人力和財力。模型試驗雖是測量網(wǎng)板水動力性能標準的方法，但在試驗過程中消耗費用較多，并且需要精密的儀器[5]，而隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬技術被廣泛使用，計算流體動力學逐漸被漁業(yè)研究者應用于網(wǎng)板水動力性能研究中，其中FLUENT分析方法具有先進的求解技術，可以快速準確地求解出CFD結(jié)果。Xu等[6]對比了V形網(wǎng)板的水槽試驗和數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩種研究結(jié)果吻合較好，最優(yōu)型的網(wǎng)板結(jié)構為展弦比0.49，板面折角17°。Leifsson等[7]在使用CFD數(shù)值模擬技術研究立式曲面網(wǎng)板水動力性能時發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的求解模型計算需要大量迭代次數(shù)，耗時太多，因此對模型算法進行了優(yōu)化。利用模型試驗和數(shù)值模擬研究網(wǎng)板水動力性能已成為目前漁業(yè)學者的研究思路，通過對比兩種研究方法的結(jié)果即可互相驗證，也可彌補相互的缺點。

本文利用水槽模型試驗和CFD數(shù)值模擬方法研究立式曲面網(wǎng)板在不同沖角下水動力性能的變化，并對比兩種研究方法的結(jié)果差異性，提出科學的建議。同時，利用CFD數(shù)值模擬技術實現(xiàn)網(wǎng)板周圍流場可視化，直觀地分析網(wǎng)板水動力性能的變化，顯示出網(wǎng)板在水中所受到的壓力分布。

1? 材料與方法

1.1? 網(wǎng)板水動力特性計算公式

網(wǎng)板水動力特性的參數(shù)主要包括雷諾數(shù)Re、升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd、垂直系數(shù)Cz、滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)Cmx、縱向力矩系數(shù)Cmz、升阻比K、翼展到壓力中心距離的壓力中心系數(shù)Cpb、翼弦到壓力中心距離的壓力中心字數(shù)Cpc，計算公式如下所示：

式中：c為網(wǎng)板翼弦（m），ρ為流體密度（kg/m3），b為網(wǎng)板翼展（m），V為流速（m/s），μ為流體動力粘性系數(shù)（kg/m/s），F(xiàn)l為網(wǎng)板擴張力（N），F(xiàn)d為網(wǎng)板阻力（N），F(xiàn)z為網(wǎng)板垂直擴張力（N），Mz為縱向力矩（N·m），Mx為滾轉(zhuǎn)力矩（N·m），S為網(wǎng)板面積（m2），db為網(wǎng)板頂端到壓力中心距離（m），dc為網(wǎng)板翼端到壓力中心距離（m），α為網(wǎng)板沖角（°），β為網(wǎng)板傾角（°）。

水槽模型試驗中，當流速增大至某一特定值后，升力系數(shù)或阻力系數(shù)基本保持不變即進入自動模型區(qū)。本次試驗所使用升力系數(shù)、阻力系數(shù)和垂直系數(shù)均為進入自動模型區(qū)后測量值的平均值。

1.2? 水槽試驗條件設置

立式曲面網(wǎng)板模型如圖1所示，比例尺為1：20，展弦比為1.65，網(wǎng)板外側(cè)圓弧相對彎度38%，內(nèi)側(cè)圓弧相對彎度23%。

水槽模型試驗在東海水產(chǎn)研究所循環(huán)水槽完成，試驗水槽尺寸長1.8 m，寬0.5 m，水深0.5 m，最大流速為2.5 m/s。三分力傳感器為日本共和電業(yè)制造的LSM-B-500NSA1-P型傳感器，量程500 N，精度0.1%，記錄的測量值為水流穩(wěn)定后20 s內(nèi)的平均值。流速計為螺旋式，由日本計測研株式會社生產(chǎn)。網(wǎng)板模型位于水槽中部，通過連接桿與三分力傳感器連接，如圖2所示。通過調(diào)節(jié)三分力傳感器下端轉(zhuǎn)軸可以改變網(wǎng)板模型的沖角。水槽模型試驗中流速設置為50 cm/s、60 cm/s、70 cm/s、80 cm/s、90 cm/s，網(wǎng)板沖角為0°～50°，其中在0°～15°和30°～50°范圍內(nèi)時以5°為間隔，15°～30°之間設置為15°、18°、20°、22°、25°、27°和30°。水槽試驗中水溫為20 ℃，水密度為998.2 kg/m3，粘性密度為1.011×10-3 kg/（m*s）。

1.3? 數(shù)值模擬條件設置

數(shù)值模擬通過ANSYS 15.0軟件中的FLUENT完成[8]。數(shù)值模擬計算中使用有限體積法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）對Navier-Stokes方程進行離散。有限體積的求解方法采用SIMPLE算法，是一種壓力修正的算法，通過在交錯網(wǎng)格的基礎上計算壓力場，而后求解動量方程。FLUENT求解中離散格式設置為壓力二階格式、動量方程為二階迎風格式。湍流模型選擇可實現(xiàn)k-ε模型[9]（Realizable k-ε），其具有既滿足對雷諾應力的約束條件，又可以在雷諾應力上保持與真實情況湍流一致的優(yōu)點。邊界層設置中使用增強壁面函數(shù)，加強了邊界層的網(wǎng)格密度，提高模型的計算精度。模擬計算區(qū)域如圖3所示，模擬計算區(qū)域與實際水槽規(guī)格一致，尺寸為1 800.00 mm*500.00 mm*500.00 mm。

網(wǎng)板沖角22°時數(shù)值模擬計算中局部區(qū)域和網(wǎng)板周圍網(wǎng)格劃分如圖4所示，網(wǎng)格劃分全部為四面體網(wǎng)格，最大網(wǎng)格尺寸為50.00 mm，最小網(wǎng)格尺寸為0.61 mm。網(wǎng)板邊界層周圍第一層網(wǎng)格厚度為5.1×10-2 mm（y+≈1），通過從網(wǎng)板表面向外膨脹15層，以1.2為增長率增強邊界層網(wǎng)格密度。

模擬計算區(qū)域總網(wǎng)格數(shù)為1.9×106，節(jié)點數(shù)為6.4×105。數(shù)值模擬計算區(qū)域邊界條件設置如圖5所示，沿X軸方向的水流速度為0.5 m/s，湍流強度為5%，湍流粘性率為10，速度入口為0.5 m/s，壓力出口為0 Pa，所有網(wǎng)板外壁面和所有水槽內(nèi)壁面均設置為固定無滑移條件。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 雷諾數(shù)與網(wǎng)板水動力系數(shù)的關系

水槽模型試驗中將測量值代入網(wǎng)板水動力特性計算公式（1）—（6）得到網(wǎng)板升力系數(shù)、阻力系數(shù)、力矩系數(shù)與雷諾數(shù)和沖角的相互關系如圖6所示。由圖可知，不同沖角條件下升力系數(shù)Cl隨雷諾數(shù)增大基本保持不變，在一定雷諾數(shù)條件下，升力系數(shù)Cl隨沖角增大呈先增大后減小趨勢，在沖角25°時達到最大。阻力系數(shù)Cd隨沖角增大呈一直增大趨勢，在沖角不變條件下隨雷諾數(shù)增大基本保持不變。在沖角0°～25°之間，力矩系數(shù)Cmx隨沖角增大逐漸增大，在25°～50°之間，隨沖角增大逐漸減小。力矩系數(shù)Cmz隨沖角增大呈先增大后減小的趨勢，在沖角30°時達到最大。升力系數(shù)、阻力系數(shù)和力矩系數(shù)在一定沖角下隨雷諾數(shù)增大基本保持不變，因此可認為當雷諾數(shù)為5.2×104～9.5×104時，在設置的流速和沖角條件下進入自動模型區(qū)。

2.2? 模型試驗和數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

立式曲面網(wǎng)板的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比與沖角相互關系的試驗值和模擬值對比結(jié)果如圖7所示。

由圖可知，試驗值和模擬值的升力系數(shù)Cl均隨沖角增大呈先增大后減小趨勢，均在臨界沖角25°時達到最大值，分別為1.45和1.59，當沖角大于臨界沖角后升力系數(shù)值急劇下降，兩種方法研究結(jié)果在沖角小于25°時差異較大，在沖角大于25°后差異較小，升力系數(shù)的模擬值始終大于試驗值。阻力系數(shù)Cd的試驗值和模擬值均隨沖角增大逐漸增大，在沖角18°～22°之間兩種方法的結(jié)果偏差較大，在沖角小于15°時吻合較好，試驗值在沖角大于27°后有明顯增大趨勢，阻力系數(shù)的模擬值也始終大于試驗值。升阻比K的試驗值和模擬值隨沖角均呈先增大后減小的趨勢，其值均在沖角15°時達到最大，分別為3.25和2.93，其中試驗值在沖角25°時又明顯增大，可能原因為試驗中出現(xiàn)的操作誤差。升阻比的試驗值和模擬值在沖角大于27°后吻合較好，在沖角10°～25°之間偏差較大，適宜的工作沖角范圍均為10°～22°之間，其中試驗值始終大于模擬值?？傊?，立式曲面網(wǎng)板升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比的試驗值和模擬值偏差較小，證明了數(shù)值模擬的準確性。

2.3? 網(wǎng)板周圍流場可視化及表面壓力分布

立式曲面網(wǎng)板在不同沖角下網(wǎng)板中心平面周圍流場分布如圖8所示。圖中水流方向為從左至右，初始流速為0.5 m/s。由圖8可知，網(wǎng)板外側(cè)箭頭指向部分流速均大于0.6 m/s，內(nèi)側(cè)圓形標示部分流速均小于0.5 m/s，由于外側(cè)流速增大，壓力減小，內(nèi)側(cè)流速減小，壓力增大，導致在網(wǎng)板內(nèi)外兩側(cè)形成壓力差，從而產(chǎn)生網(wǎng)板升力，圖中箭頭指向部分隨沖角增大呈先增大后減小趨勢，在沖角25°時達到最大，這與模型試驗結(jié)果相符合。網(wǎng)板后部矩形標示部分流速為負值，表示在該處形成渦旋，產(chǎn)生渦旋的主要原因為水流經(jīng)過網(wǎng)板背部時在網(wǎng)板表面形成一層很薄的邊界層，隨著流速的增大水流開始逐漸離開網(wǎng)板表面，造成邊界層分離情況，由于邊界層分離時粘性力的存在，分離后會在后部區(qū)域產(chǎn)生渦旋，形成壓差阻力，隨著沖角增大該區(qū)域面積增大，表明阻力值逐漸增大，與模型試驗結(jié)果吻合。隨著沖角增大網(wǎng)板左側(cè)流速衰減區(qū)逐漸減小，主要原因是隨著沖角增大，水流與網(wǎng)板接觸面積逐漸增大，降低了流速減弱的程度。

不同沖角下網(wǎng)板翼端平面周圍流場分布如圖9所示。由圖9可知，網(wǎng)板背部產(chǎn)生的邊界層分離點隨著沖角增大逐漸向網(wǎng)板前端移動。網(wǎng)板翼端尾部矩形標示部分流速為負值，是水流與網(wǎng)板表面分離時形成的翼端渦，其隨著沖角增大逐漸增大。網(wǎng)板前端流速衰減區(qū)隨著沖角增大逐漸增大，后端流速衰減區(qū)隨著沖角增大明顯變寬。

在不同沖角條件下網(wǎng)板表面壓力分布如圖10所示，隨著沖角增大網(wǎng)板表面壓力分布逐漸增大，主要原因為沖角增大后網(wǎng)板與水流的接觸面積增大，導致網(wǎng)板表面壓力增大區(qū)域也逐漸增大，而網(wǎng)板壓力中心的壓力隨沖角增大基本保持不變。

3? 討論

3.1? 網(wǎng)板周圍流場可視化

本文利用水槽模型試驗和數(shù)值模擬研究了立式曲面網(wǎng)板水動力性能的變化，并對比分析了兩種方法得到的研究結(jié)果，最后利用數(shù)值模擬實現(xiàn)了網(wǎng)板周圍流場可視化，為今后網(wǎng)板的性能的研究提供了科學依據(jù)。關于網(wǎng)板水動力性能的研究國內(nèi)外已屢見不鮮，而利用可視化手段研究網(wǎng)板周圍流態(tài)分布還較少，目前主要實現(xiàn)網(wǎng)板周圍流場可視化的方法主要有三種：線條法[10]、氣泡法[11]和數(shù)值模擬，其中線條法是指將輕柔線條一端固定在網(wǎng)板表面，根據(jù)線條另一端在水流中所呈現(xiàn)出的姿態(tài)來判斷網(wǎng)板周圍的流態(tài);氣泡法指將水槽中的水通電，電解產(chǎn)生氫氣泡，氣泡隨著水流經(jīng)過網(wǎng)板后流態(tài)發(fā)生改變進而判斷流態(tài)的分布情況。但線條法和氣泡法只能對網(wǎng)板周圍流場進行定性的研究，不能精確地顯示網(wǎng)板周圍流態(tài)的速度場。數(shù)值模擬技術具有高效、低成本等優(yōu)點，可將網(wǎng)板周圍流場精確地描述出來，因此利用數(shù)值模擬技術研究網(wǎng)板周圍流態(tài)分布與網(wǎng)板水動力性能的關系，即可以掌握網(wǎng)板周圍流態(tài)分布變化的原因，也可為后續(xù)網(wǎng)板的優(yōu)化與設計提供直觀的科學依據(jù)。

3.2? 模型試驗和數(shù)值模擬結(jié)果比較

網(wǎng)板的升力系數(shù)和阻力系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果均較水槽模型試驗結(jié)果高，其主要可能由兩個方面的原因?qū)е拢阂皇菙?shù)值模擬在構建網(wǎng)板模型時未考慮摩擦力，使得數(shù)值模擬測試值偏高;二是因為在水槽模型試驗中水流的不穩(wěn)定性造成網(wǎng)板的震蕩，使得測量水動力性能的儀器產(chǎn)生誤差。網(wǎng)板模型試驗時尺度比的大小會直接影響試驗結(jié)果的準確性，因此在今后網(wǎng)板模型試驗中應選擇合適的模型尺度比，盡量降低模型的尺度效應對試驗結(jié)果的影響。

3.3? 網(wǎng)板開發(fā)研究趨勢

網(wǎng)板在拖曳過程中多數(shù)情況下會存在傾斜的狀態(tài)，網(wǎng)板在內(nèi)傾狀態(tài)下有利于增加穩(wěn)定性并能夠順利越過障礙物，但不能內(nèi)傾過大，會破壞平衡狀態(tài)，造成起浮。同時網(wǎng)板正常工作狀態(tài)也存在后傾，這樣安裝有利于越過障礙物。網(wǎng)板曳行時也會不同程度地受到外力的干擾，也可能會導致網(wǎng)板出現(xiàn)傾斜的情況，而不同的傾斜程度對水動力性能有一定影響，因此今后可開展不同傾斜程度對網(wǎng)板水動力性能的影響研究。影響網(wǎng)板水動力性能的因素除網(wǎng)板自身結(jié)構參數(shù)外，還有作業(yè)方式和作業(yè)海區(qū)底質(zhì)類型等因素，在實際生產(chǎn)作業(yè)中，海底對網(wǎng)板的水動力性能有較大影響。本文利用模型試驗和數(shù)值模擬研究立式曲面網(wǎng)板水動力性能的過程中，由于盡量避免無關因素影響網(wǎng)板性能測試數(shù)據(jù)的準確性，忽略了海底底質(zhì)對網(wǎng)板水動力性能的影響，而且模型試驗中模擬海底底質(zhì)也是非常困難的，但隨著計算機技術的發(fā)展，在數(shù)值模擬中可利用離散單元法建立模擬海底，通過設置海底底質(zhì)黏土的材料和粘度指數(shù)來實現(xiàn)不同海底底質(zhì)的類型，并通過連接力模型將海底與網(wǎng)格化的網(wǎng)板整合進行求解計算[12]。因此，今后研究網(wǎng)板水動力性能中可引入分析不同海底底質(zhì)對網(wǎng)板水動力性能的影響。

4? 結(jié)? 論

立式曲面網(wǎng)板的水動力性能參數(shù)在進入自動模型區(qū)即雷諾數(shù)為5.2×104～9.5×104區(qū)間內(nèi)時變化趨勢為：升力系數(shù)的試驗值和模擬值隨沖角增大均呈先增大后減小趨勢。阻力系數(shù)的試驗值和模擬值隨沖角增大呈一直增大趨勢。升阻比的試驗值和模擬值隨沖角均呈先增大后減小趨勢。

由立式曲面網(wǎng)板周圍流場分布可知，網(wǎng)板升力隨沖角增大呈先增大后減小趨勢，在沖角25°時最大。網(wǎng)板壓差阻力隨沖角增大呈一直增大趨勢。網(wǎng)板背部產(chǎn)生的邊界層分離點隨沖角增大逐漸向網(wǎng)板前端移動。網(wǎng)板翼端尾部形成明顯的翼端渦，其隨沖角增大逐漸增大。網(wǎng)板前端流速衰減區(qū)隨沖角增大逐漸增大。網(wǎng)板表面壓力分布隨沖角增大逐漸增大，而網(wǎng)板壓力中心隨沖角增大基本保持不變。

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作者簡介：徐琦（1988—），男，漢族，吉林榆樹人，漁業(yè)一級船長，中級職稱，工學學士，研究方向：漁具漁法。