立式V型曲面開縫網(wǎng)板的水動(dòng)力性能數(shù)值模擬研究

徐 波，袁軍亭

（上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

網(wǎng)板是單船拖網(wǎng)作業(yè)的最主要屬具，其水動(dòng)力性能的優(yōu)劣，關(guān)系到網(wǎng)板的擴(kuò)張性能，是影響漁獲量與捕撈效率的重要因素，直接影響到網(wǎng)板的漁獲性能與經(jīng)濟(jì)效益[1～5]。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）作為一種研究網(wǎng)板水動(dòng)力性能的數(shù)值仿真方法應(yīng)運(yùn)而生[1,6,7]。CFD能夠研究網(wǎng)板的工作性能，更重要的是能夠在節(jié)省時(shí)間、成本的情況下仿真復(fù)雜的工作狀況[8]。因此，CFD被廣泛應(yīng)用于三維結(jié)構(gòu)體的流體動(dòng)力學(xué)分析，如，船結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和人工魚礁的外形設(shè)計(jì)[9]。Yelland[10]等用CFD研究船上部結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)應(yīng)力；percival[11]等用CFD優(yōu)化了船的外殼。Takahashi[8]等用CFD在與水槽實(shí)驗(yàn)相同條件下對(duì)雙翼型網(wǎng)板進(jìn)行水動(dòng)力性能分析，其分析結(jié)果與水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。XU Qingchang[12]等用兩種數(shù)值仿真方法研究矩形V型網(wǎng)板，發(fā)現(xiàn)展弦比設(shè)定為0.49、反角設(shè)置為17°時(shí)，網(wǎng)板展現(xiàn)出更好的水動(dòng)力性能。XU Qingchang[13]等用數(shù)值仿真方法評(píng)價(jià)全尺寸矩形網(wǎng)板的水動(dòng)力性能，其結(jié)果正確地印證了先前的水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果。XU Qingchang使用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、水槽實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真分別研究雙導(dǎo)流板矩形曲面網(wǎng)板，結(jié)果表明風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別與各自的數(shù)值仿真結(jié)果吻合[14]。以上可鑒，CFD仿真方法是一種強(qiáng)有力的網(wǎng)板水動(dòng)力性能研究方法，本文運(yùn)用Fluent19.2研究立式V型曲面開縫網(wǎng)板的水動(dòng)力性能。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

網(wǎng)板數(shù)值仿真過程中，假設(shè)流體不可壓縮、各向同性，控制方程包括：

1）連續(xù)性方程

2）N-S方程

1.2 參數(shù)定義

描述網(wǎng)板水動(dòng)力特性的參數(shù)主要有雷諾數(shù)Re、升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD、升阻比K。

1.3 模型參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)板計(jì)算域如圖1所示，水的密度為998.2kg·m-3，動(dòng)力粘度μ為0.001003kg·m-1·s-1[8,15]，計(jì)算域邊界劃分如圖2所示，計(jì)算域的左端面設(shè)置為速度入口，右端面設(shè)置為壓力出口，下端面設(shè)置為無滑移壁面，其余三面設(shè)置為自由滑移壁面[8,16]。水流方向沿x軸正方向均勻流動(dòng)，湍流強(qiáng)度為5%，回流湍流強(qiáng)度為5%，回流湍流粘性比為10，湍流粘性比為10[12]。

圖1 網(wǎng)板流體動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算域

圖2 計(jì)算域邊界條件設(shè)置

1.4 數(shù)值計(jì)算方法

湍流模型選擇k-epsilon模型，控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散，瞬態(tài)方程采用第一順序隱式，計(jì)算步長(zhǎng)為1s，計(jì)算步數(shù)設(shè)置為1000步。數(shù)值仿真參數(shù)設(shè)置[8,12,14,16,17]如表1所示。

表1 數(shù)值仿真參數(shù)設(shè)置

2 材料與方法

2.1 全尺寸網(wǎng)板

本文是對(duì)立式V型曲面開縫網(wǎng)板全尺寸進(jìn)行數(shù)值仿真研究，網(wǎng)板是由不銹鋼制成，網(wǎng)板主要結(jié)構(gòu)包括翼展、翼弦與開縫，其中網(wǎng)板上設(shè)置開縫結(jié)構(gòu)，網(wǎng)板背部渦流受到較大的水流沖擊，可以達(dá)到改善背部流態(tài)、減少阻力的作用，提高網(wǎng)板的水動(dòng)力性能[1,18,19]。主要尺寸翼展為4.02m，弦長(zhǎng)為2.36，展弦比（AR）為 1.7，曲面率為23%，總面積約為9.22m2。如圖3所示是網(wǎng)板的三維結(jié)構(gòu)與網(wǎng)板的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)[13]。

圖3 網(wǎng)板三維結(jié)構(gòu)（左）和網(wǎng)板三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（右）

2.2 全尺寸網(wǎng)板的數(shù)值仿真

本文使用軟件ANSYS19.2的FLUENT對(duì)網(wǎng)板進(jìn)行數(shù)值仿真，F(xiàn)LUENT在模擬仿真網(wǎng)板周圍的速度場(chǎng)更加精確[14]。在計(jì)算過程中，利用有限體積法解決雷諾-平均納斯維托克斯方程（N-S方程）[13]。計(jì)算模型選取標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型改進(jìn)的可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型進(jìn)行網(wǎng)板流體仿真[13]。

網(wǎng)板的計(jì)算域通過分別調(diào)整長(zhǎng)度、寬度與高度進(jìn)行確定，采取的方法是一步一步地分別增加或減少計(jì)算域的長(zhǎng)度、寬度與高度改變計(jì)算域體積，通過流體仿真進(jìn)行殘差值計(jì)算，殘差圖如圖4所示，如圖1所示的計(jì)算域是殘差圖收斂的情況下所確定的計(jì)算域[13]。由于網(wǎng)板在海域中底層工作，計(jì)算域的底面設(shè)置為無滑移壁面，其余面除了速度入口與壓力出口以外，均設(shè)置為自由滑移壁面，網(wǎng)板的計(jì)算域分別被設(shè)置為15L、8L和5L，網(wǎng)板距離底面3L（L為網(wǎng)板翼展，L=4.02m），網(wǎng)板距離水流入口端面2L，計(jì)算收斂精確度相對(duì)誤差小于1%[13]。

圖4 殘差圖（收斂）

網(wǎng)板周圍的計(jì)算網(wǎng)格如圖5所示，網(wǎng)板的網(wǎng)格以非結(jié)構(gòu)化形式劃分，網(wǎng)格單元的最小體積為0.1mm3以上，網(wǎng)格質(zhì)量良好。網(wǎng)板及其他邊界采用局部加密的方式不斷驗(yàn)證網(wǎng)格的可行性，保證網(wǎng)格單元的最小體積大于0.1mm3，最終取得計(jì)算精度較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格的總單元數(shù)量約為2.8×106，節(jié)點(diǎn)數(shù)約為5.1×105。

邊界設(shè)定情況如圖2所示，入口邊界設(shè)定為速度入口，速度設(shè)置為0.4m/s～1m/s，速度增量設(shè)置為0.15m/s；出口邊界設(shè)定為壓力出口，相對(duì)壓力設(shè)置為0Pa[12]。在仿真過程中，AOA（沖角）的范圍為10°～90°，增量為5°[13,20]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

網(wǎng)板的升、阻力系數(shù)可以根據(jù)式(2)、式(3)進(jìn)行計(jì)算，其中FL和FD由仿真得出相應(yīng)的數(shù)值。計(jì)算公式如下：

式中：v 為來流速度（m/s），b 為網(wǎng)板弦長(zhǎng)（m），ρ為流體密度（kg/m3）；μ為流體實(shí)際的動(dòng)力粘度（kg/m?s）；FL為網(wǎng)板擴(kuò)張力（N），即網(wǎng)板所受的升力；FD為網(wǎng)板阻力（N）；S為網(wǎng)板總面積（m2）。

圖5 板網(wǎng)周圍的計(jì)算網(wǎng)格示意圖

升力FL是與來流方向垂直的分力，阻力FD是與來流方向平行的分力，升力系數(shù)CL與擴(kuò)張力同阻力的比值K是衡量網(wǎng)板水動(dòng)力性能的重要參數(shù)[1]，兩者的值越大，對(duì)網(wǎng)板的水動(dòng)力性能越有利。如圖6所示F為網(wǎng)板受到的總作用力，其水平分力為阻力FD、垂直分力為升力FL，α為沖角，V為來流速度。

圖6 網(wǎng)板受力與來流方向

3 全尺寸網(wǎng)板的仿真結(jié)果

3.1 全尺寸立式V型曲面開縫網(wǎng)板的水動(dòng)力性能

如圖7所示為不同速度下影響全尺寸立式V型曲面開縫網(wǎng)板水動(dòng)力性能的升力系數(shù)、阻力系數(shù)及的升阻比隨沖角的變化形成的曲線趨勢(shì)圖，圖7表明5種速度下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比曲線圖沒有明顯的變化，說明速度對(duì)網(wǎng)板的水動(dòng)力性能影響甚微。阻力系數(shù)隨著沖角的增加而增加，升力系數(shù)與升阻比隨著沖角的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)沖角α為45°時(shí)，升力系數(shù)取得最大值，如表2所示是入口速度分別為0.4m/s、0.55m/s、0.70m/s、0.85m/s與1m/s所對(duì)應(yīng)的最大升力系數(shù)。5種速度狀況下升力系數(shù)曲線均表明當(dāng)沖角α為45°時(shí)，網(wǎng)板的升力系數(shù)取得最大值，所以45°是立式V型曲面開縫網(wǎng)板臨界沖角，此時(shí)網(wǎng)板的擴(kuò)張性能最好。網(wǎng)板的升阻比隨著沖角的增加先上升后下降，如表2是不同速度下所對(duì)應(yīng)的最大升阻比，圖7的升阻比曲線圖表明升阻比在沖角α為20°時(shí)，取得最大值，此時(shí)網(wǎng)板的工作效率最高，表2數(shù)據(jù)表明5種速度情況下的最大升力系數(shù)與最大升阻比沒有顯著的變化，可以得出結(jié)論：速度對(duì)網(wǎng)板的水動(dòng)力性能影響很小。由立式V型曲面開縫網(wǎng)板的升力系數(shù)與升阻比曲線圖得知此網(wǎng)板的工作沖角范圍很大，沖角在35°～45°范圍內(nèi)升力系數(shù)與升阻比數(shù)值均處于較高值，網(wǎng)板的水動(dòng)力性能良好，漁網(wǎng)的水平擴(kuò)張性能很好，建議網(wǎng)板的工作沖角范圍為35°～45°。網(wǎng)板在35°～45°有更大的升力系數(shù)與較小的阻力系數(shù)，此范圍內(nèi)網(wǎng)板的水平擴(kuò)張性能好，這也驗(yàn)證了Xu BS[21]等發(fā)現(xiàn)V型曲面網(wǎng)板與其他網(wǎng)板相比在水平擴(kuò)張與總捕獲量上有更大的優(yōu)勢(shì)。

表2 不同速度的最大升力系數(shù)與不同速度的最大升阻比

3.2 網(wǎng)板周圍的流線分布

圖7 升力系數(shù)與阻力系數(shù)（上），升阻比（下）（入口速度為 0.4m/s～1m/s）隨沖角變化曲線

如圖8所示為立式V型曲面開縫網(wǎng)板在入口速度為1m·s-1的二維流線型可視圖與渦流核心區(qū)域圖（渦流核心區(qū)域圖顯示的是漩渦區(qū)域），流線型視圖皆是取自切于網(wǎng)板中部水平板面的流線圖，渦流核心區(qū)域圖是相同沖角所對(duì)應(yīng)的渦流狀態(tài)圖。圖中所示在沖角為10°時(shí)，網(wǎng)板的前緣背流面流線出現(xiàn)了分離，在α為15°～40°，流動(dòng)分離逐漸向網(wǎng)板的后端發(fā)展，網(wǎng)板兩面（壓力面和背流面）的流線逐漸變得集中。在α為45°時(shí)流動(dòng)完全分離，網(wǎng)板出現(xiàn)了失速現(xiàn)象。在沖角大于45°的情況下，漩渦開始散布，從網(wǎng)板前端向后緣移動(dòng)，分離點(diǎn)移到網(wǎng)板的后緣，漩渦在尾跡區(qū)完全形成，更多的漩渦形成并逐漸擴(kuò)散，流線保持分離的狀態(tài)。網(wǎng)板的升力由壓力差與翼尖渦流[22]誘導(dǎo)形成，渦流圖表明翼尖漩渦在較小的沖角（10°～40°）逐漸形成，翼尖漩渦的區(qū)域逐漸增加，在沖角為45°流動(dòng)完全分離后，翼尖渦流區(qū)域開始擴(kuò)散，之后逐漸坍塌，升力系數(shù)開始下降。在沖角大于45°后網(wǎng)板的背流面上部可以觀測(cè)到更大的翼尖漩渦[23]，在沖角為65°～80°逐漸發(fā)展。在沖角為85°時(shí)網(wǎng)板背流面由一個(gè)漩渦形成了兩個(gè)漩渦，即雙子渦[23]，在沖角為90°時(shí)，雙子渦完全形成。通過數(shù)值仿真驗(yàn)證，其他入口速度下的網(wǎng)板狀態(tài)在流線型與渦流核心區(qū)域圖與速度為1m/s有相同的結(jié)果，表明立式V型曲面開縫網(wǎng)板在不同的速度狀態(tài)下有相同的水動(dòng)力性能，進(jìn)一步論證了速度對(duì)網(wǎng)板的水動(dòng)力性能影響甚微。由渦流核心區(qū)域圖表明從沖角10°～45°網(wǎng)板的前端和后緣漩渦云圖逐漸分離，從原來沖角為10°時(shí)前端與后緣的漩渦云圖在網(wǎng)板中部水平板面相互重疊到?jīng)_角為45°出現(xiàn)完全分離，在沖角45°之后持續(xù)分離，進(jìn)一步表明網(wǎng)板在沖角45°出現(xiàn)了失速現(xiàn)象。

圖8 網(wǎng)板周圍流線型（2d）分布（左）和渦流核心區(qū)域圖（右）

4 結(jié)語

立式V型曲面開縫網(wǎng)板的水動(dòng)力性能曲線表明當(dāng)沖角為45°時(shí)，網(wǎng)板有最大的升力系數(shù)，沖角為20°時(shí)，升阻比取得最大值，沖角為20°時(shí)網(wǎng)板取得了最大的升阻比，較大的升阻比出現(xiàn)在較小的沖角值的情況下，網(wǎng)板的升力系數(shù)在較小的沖角值的情況下非常小，沖角為45°時(shí)，網(wǎng)板的升阻比相對(duì)較大，因此45°是最佳工作沖角。

根據(jù)Balash等[24]建議蝙蝠翼型網(wǎng)板的工作沖角為20°時(shí)水動(dòng)力性能良好，建議立式V型曲面開縫網(wǎng)板工作沖角為35°～45°，此時(shí)網(wǎng)板工作效率（發(fā)生在較低的沖角）高、有效性（發(fā)生在較高的沖角）都比較高。渦流圖表明沖角10°～45°，網(wǎng)板背流面的流線逐漸的集中在一起，網(wǎng)板翼尖漩渦的區(qū)域越來越大，逐漸散布，流動(dòng)分離程度越來越大，在沖角45°后，翼尖漩渦向網(wǎng)板后端擴(kuò)散開，網(wǎng)板背流面的流體流動(dòng)完全分離，出現(xiàn)了失速現(xiàn)象，不利于網(wǎng)板進(jìn)行捕魚。

立式V型曲面開縫網(wǎng)板水動(dòng)力性能比矩形網(wǎng)板更好。如圖9所示，XU Qingchang[25]等對(duì)矩形網(wǎng)板進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)，得到的升力系數(shù)與阻力系數(shù)在沖角10°～50°的變化曲線，其變化趨勢(shì)與圖7相同，相比之下，XU Qingchang研究的矩形網(wǎng)板在沖角40°時(shí)取得最大升力系數(shù)，表明40°為最佳工作沖角，立式V型曲面開縫網(wǎng)板具有較大的最佳工作沖角、較大的升力系數(shù)與較大的工作沖角范圍。

立式V型曲面開縫網(wǎng)板的水動(dòng)力性能優(yōu)于矩形V型網(wǎng)板。如圖10所示，XU Qingchang[12]等對(duì)矩形V型網(wǎng)板進(jìn)行水動(dòng)力性能模擬實(shí)驗(yàn)，得到的升力系數(shù)與阻力系數(shù)在沖角10°～60°的變化曲線，其變化趨勢(shì)與圖7和圖9相同，在沖角40°取得最大升力系數(shù)，表明40°為矩形V型網(wǎng)板的最佳工作沖角，而立式V型曲面開縫網(wǎng)板的最佳工作沖角為45°，最大升力系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于矩形V型網(wǎng)板。

文中全面地對(duì)立式V型曲面開縫網(wǎng)板的工作沖角進(jìn)行了研究分析，得到了網(wǎng)板的最佳工作沖角與升力系數(shù)、阻力系數(shù)隨沖角的變化曲線。但是，網(wǎng)板在捕魚的工程中，水中環(huán)境極其復(fù)雜，文中并沒有考慮到海底及其他事物對(duì)網(wǎng)板的摩擦力對(duì)網(wǎng)板的影響，在以后的研究過程中應(yīng)逐步考慮進(jìn)去，以減少誤差。

圖9 升力系數(shù)隨沖角的變化曲線（左），阻力系數(shù)隨沖角的變化曲線（右）

圖10 升力系數(shù)、阻力系數(shù)與沖角的變化關(guān)系

5 結(jié)語

通過數(shù)值仿真模擬的方法對(duì)立式V型曲面開縫網(wǎng)板進(jìn)行水動(dòng)力性能研究，研究結(jié)果對(duì)于分析網(wǎng)板的水動(dòng)力性能提供了依據(jù)，分析表明立式V型曲面開縫捕魚網(wǎng)板比矩形網(wǎng)板與矩形V型網(wǎng)板水動(dòng)力性能更好，同時(shí)為以后的研究奠定了基礎(chǔ)?；谶@些仿真結(jié)果，提高了立式V型曲面開縫捕魚網(wǎng)板的使用技能，有利于提高網(wǎng)板的漁獲效益。