矩形曲面網(wǎng)板水動力性能的數(shù)值模擬

劉圣聰+劉佳茗

摘 要：拖網(wǎng)網(wǎng)板為網(wǎng)衣提供水平張力，是拖網(wǎng)作業(yè)系統(tǒng)非常重要的漁具構件之一。該文利用CFD軟件FLUENT研究了展弦比對矩形曲面網(wǎng)板其水動力性能的影響。研究中設計了2種不同展弦比λ的網(wǎng)板，在流速1.54m/s，迎流沖角α = 0°～50°時，建立數(shù)值水槽進行數(shù)值模擬，得到網(wǎng)板的阻力系數(shù)Cd、升力系數(shù)Cl、俯仰力矩系數(shù)Cm和升阻比K，對比不同網(wǎng)板的水動力性能差異。結果表明，1號網(wǎng)板（λ = 2.0）與2號網(wǎng)板（λ = 1.5）的最大升力系數(shù)分別為0.85（α =15°）和0.92（α = 42°）；最大升阻比分別為9.59和8.35，俯仰力矩系數(shù)的絕對值分別為0.013和0.001?？梢?，展弦比越大，臨界沖角和Cl值越小，最大升阻比越高，但穩(wěn)定性越差。研究結果可為拖網(wǎng)網(wǎng)板的結構優(yōu)化設計提供參考。

關鍵詞：拖網(wǎng)網(wǎng)板；展弦比；水動力學性能；數(shù)值模擬

中圖分類號 S141 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）18-0092-04

Numerical Simulation on Hydrodynamic Performance of Rectangular Otter Boards with Different Aspect Ratios

Liu Shengcong et al.

（Dalian Tianzheng Industrial Co. Ltd，Dalian 116001，China）

Abstract：The otter board is a vital component for the efficient expansion performance of an otter trawl system. The numerical CFD code ANSYS fluent was conducted for rectangular otter board model to study the effect of aspect ratio on hydrodynamic performance. 2 different kinds of aspect ratio of otter boards were numerical simulated using the FLUENT with the flow velocity at 1.54m/s and the angle of attack measured from 0° to 50°. The cal-culated drag coefficient Cd，lift coefficient Cl，pitching moment coefficient Cm，lift to drag ratio K and the relations curve of these value and angle of attack were compared. The results showed that the maximum lift coefficient of otter boards 1 and 2 was 0.85（α =15°） and 0.92（α =42°），the maximum lift to drag ratio was 9.59 and 8.35，and the absolute value of pitching moment coefficient was 0.013 and 0.001 respectively. The result indicated that the greater the aspect ratio，the smaller the critical angle of attack and lift coefficient，the higher the maximum lift to drag ratio，but the worse of stability. The results would provide reference for the structural optimization design of trawl otter board.

Key words：Otter boards；Aspect ratio；Hydrodynamic performance；CFD analysis

拖網(wǎng)作業(yè)具有靈活、高效、適應性強等特點，是最常見的一種捕撈方式，也是目前我國遠洋捕撈中最主要的作業(yè)方式之一。網(wǎng)板是單船拖網(wǎng)系統(tǒng)中的重要組成部分，其水動力性能的優(yōu)劣，關系到網(wǎng)具能否得到充分的擴張，從而直接影響到拖網(wǎng)漁具的漁獲性能和經(jīng)濟效益[1-2]。因此，對網(wǎng)板水動力性能的研究以及對新型網(wǎng)板的開發(fā)，一直是國內(nèi)外漁業(yè)工程研究者的關注重點。

挪威、日本、法國等漁業(yè)發(fā)達國家對網(wǎng)板水動力性能的改進研究較早，相繼開發(fā)出大展弦比矩形曲面網(wǎng)板、綜合型網(wǎng)板（橢圓形曲面開縫網(wǎng)板）、立式V型曲面網(wǎng)板和矩形V型曲面開縫網(wǎng)板等各種高性能網(wǎng)板[3]。A.Sala等[4]通過模型與原型試驗相對比的方法，研究了2種矩形V型曲面開縫網(wǎng)板的水動力性能及其對海底棲息地的破壞影響。Yuki等[5]用計算流體動力學方法研究了復翼式曲面網(wǎng)板的水動力特性，并通過軟件可視化將網(wǎng)板周圍的流場形態(tài)展現(xiàn)出來，與模型試驗進行對比，得到較好的吻合效果。Balash等[6]研究了2種柔性蝠翼式網(wǎng)板，分析了網(wǎng)板的膨脹和扭曲對網(wǎng)板水動力特性及穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)膨脹可以提高升力，扭曲可以減小阻力從而提高升阻比，適當?shù)呐で鷮W(wǎng)板穩(wěn)定性是有利的。

中國對拖網(wǎng)網(wǎng)板水動力性能的研究起步較晚，網(wǎng)板的結構形式較國外比較單一。中國的網(wǎng)板模型試驗主要在風洞設備中完成。郭根喜等[7]較系統(tǒng)的對網(wǎng)板進行了研究，包括網(wǎng)板的幾何結構、開縫數(shù)量、導流翼相對高度對不同類型網(wǎng)板水動力性能的影響。張勛等[8]、王錦浩等[9]分別研究了矩形V型曲面網(wǎng)板開縫口導流板曲率、展弦比、縫口位置和縫口寬度等參數(shù)對網(wǎng)板水動力性能的影響。王磊等[10]研究了葉板尺度比例變化對單縫立式曲面網(wǎng)板水動力性能的影響，發(fā)現(xiàn)導流板尺度過小會增加網(wǎng)板阻力，過長則會降低網(wǎng)板升阻比。劉健等[11]通過水槽模型試驗，研究了展弦比為1.0的矩形曲面網(wǎng)板在不同水平傾角和迎流沖角下的水動力性能。endprint

國內(nèi)目前對網(wǎng)板水動力性能的研究手段多數(shù)是在風洞和水槽中進行模型試驗，對設備要求較高，同時需要大量的人力財力，且誤差較大。隨著計算機模擬仿真技術的發(fā)展，利用數(shù)值模擬的方法對網(wǎng)板水動力性能進行研究，將會更加省時省力，研究內(nèi)容也會更加靈活。本文利用CFD軟件FLUENT對矩形曲面網(wǎng)板進行數(shù)值模擬，研究展弦比變化對網(wǎng)板水動力性能的影響，以期為優(yōu)化拖網(wǎng)網(wǎng)板性能提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程 本文假設流體不可壓縮、各向同性，控制方程包括連續(xù)性方程和N-S方程：

[??V=0] （1）

[?V?t+（V??）?V=-1ρ?p+μρ?2V+F] （2）

式中：[V]為速度；[t]為時間；[p]為壓力；[F]為體積力；[ρ]為密度；[μ]為動力粘度。

1.2 參數(shù)定義 描述網(wǎng)板水動力特性的參數(shù)主要有雷諾數(shù)Re、阻力系數(shù)Cd、升力系數(shù)Cl、升阻比K、縱向力矩系數(shù)Cm。計算公式如下：

[Re=Vbρμ] （3）

[Cd=Fd（0.5?ρV2S）] （4）

[Cl=Fl（0.5?ρV2S）] （5）

[K=ClCd] （6）

[Cm=Mz（0.5?ρV2Sb）] （7）

式中：V為來流速度（m·s-1）；b為網(wǎng)板弦長（m）；ρ為流體密度（kgm-3）；μ為流體動力粘度（kgm-1s-1）；Fd為網(wǎng)板阻力（N）；S為網(wǎng)板面積（m2）；Fl為網(wǎng)板擴張力（N）；Mz為俯仰力矩（N·m）。

1.3 網(wǎng)板結構參數(shù) 網(wǎng)板的基本尺寸如圖1所示，L為網(wǎng)板翼展，b為網(wǎng)板翼弦，f為網(wǎng)板的最大厚度，展弦比λ=L/b，迎流沖角α為網(wǎng)板翼弦與來流方向的夾角，網(wǎng)板模型如圖2所示。因為矩形曲面網(wǎng)板為對稱結構，因此在計算時，可模擬網(wǎng)板的一半，將大大節(jié)省計算時間。

圖1 網(wǎng)板基本尺寸

圖2 網(wǎng)板模型

本文研究對象為2種不同展弦比的矩形曲面網(wǎng)板，迎流沖角α均為0°～50°范圍，網(wǎng)板的具體規(guī)格見表1。

表1 網(wǎng)板規(guī)格

[編號 翼展

（L/m） 翼弦

（b/m） 展弦比

（λ） 面積

（S/m2） 最大厚度

（f/m） 1 2.14 1.07 2.0 2.3 0.107 2 1.86 1.24 1.5 2.3 0.124 ]

1.4 模型參數(shù)設置 網(wǎng)板周圍的網(wǎng)格劃分如圖3所示，靠近網(wǎng)板的區(qū)域選擇六面體單元，遠場區(qū)域選擇四面體單元來進行計算，第一層網(wǎng)格高度為b/100。計算區(qū)域如圖4所示，水的密度ρ為998.2kg·m-3，動力粘度μ為0.001003kg·m-1·s-1，上游入口處設為速度入口邊界（velocity inlet），速度為1.54m/s，方向沿x軸正向的均勻流，湍流強度為2.6%，湍流長度尺度為0.07b。下游出口設為完全發(fā)展自由出流邊界（outflow）。計算區(qū)域的底面設為對稱邊界（symmetry），網(wǎng)板表面及計算域其他邊界均設為不可滑移壁面（no-slip wall）。

圖3 網(wǎng)板周圍網(wǎng)格劃分（α=20°）

圖4 計算域整體網(wǎng)格劃分

1.5 數(shù)值計算方法 經(jīng)驗證，湍流模型選擇標準[k-ω]模型，控制方程采用有限體積法進行離散，對流項采用二階迎風格式，擴散項采用二階中心差分格式，計算步長為0.004s。

2 結果與分析

2.1 升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd 網(wǎng)板的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd隨迎流沖角α的變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，網(wǎng)板的阻力系數(shù)Cd隨迎流沖角α的增大均呈上升趨勢。1號網(wǎng)板的升力系數(shù)Cl在α=0°～15°范圍內(nèi)隨著α的增大而增大，在α=15°時達到最大值Clmax=0.85，此時的Cd=0.17。在α=15°～20°范圍時，Cl有所下降，在α=20°時Cl=0.73。在α=20°～35°之間，隨著α的增大，升力系數(shù)有略微增加，當α>35°后，隨著α的增大，升力系數(shù)呈下降趨勢。2號網(wǎng)板的Cl在α=0°～27°范圍內(nèi)先增后降，在α= 15°左右達到較大值為0.80，在α=27°～42°范圍內(nèi)，Cl持續(xù)上升，在α=42°時達到最大值Clmax=0.92，此時的Cd= 0.82。當α>42°后，升力系數(shù)開始下降。圖中Cl-exp和Cd-exp分別為2號網(wǎng)板的物理模型試驗所得到的升力系數(shù)和阻力系數(shù)曲線[7]，從圖中可以看出，數(shù)值模擬得到的Cd曲線與物模試驗相差不大，吻合較好。試驗得到的最大升力系數(shù)Clmax=1.08（α=27°），數(shù)值模擬為Clmax=0.92（α=42°），兩者在數(shù)值上相差不大，但是所對應的沖角有較大差距。產(chǎn)生誤差的原因有以下：（1）數(shù)值模擬沒有考慮摩擦力；（2）由于物模試驗時間較早，且在風洞中進行，試驗裝置和條件有限制，只在迎流沖角為5°～30°范圍內(nèi)進行了試驗，數(shù)據(jù)有限。從阻力系數(shù)曲線的擬合效果與升力系數(shù)曲線的變化范圍和趨勢來看，數(shù)值模擬的結果是正確的。

圖5 升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd隨沖角α的變化曲線

2.2 升阻比K和俯仰力矩系數(shù)Cm 如圖6所示，升阻比K隨著迎流沖角α的增加呈先升后降趨勢。從圖7可以看出，1號網(wǎng)板的升阻比K較高，最大為K=9.59（α=5°），2號網(wǎng)板的最大升阻比K=8.35（α=5°），兩種網(wǎng)板最大升阻比時對應的迎流沖角大致相同。但是，在最大升阻比對應的沖角α=5°時，網(wǎng)板的升力系數(shù)并不高，無法充分擴張網(wǎng)口，最大升力系數(shù)對應沖角附近升阻比的大小也很重要。1號網(wǎng)板在α=15°（最大升力系數(shù)對應沖角）時，升阻比K=5.05，2號網(wǎng)板在α=42°時，升阻比K=1.12。2號網(wǎng)板升阻比K的模擬結果與試驗相比較，兩者在α=5°時完全吻合，隨著α的增大，K均呈下降趨勢，數(shù)值模擬結果與試驗結果的變化趨勢是一致的。

圖6 升阻比K和俯仰力矩Cm隨迎流沖角α的變化曲線

俯仰力矩也稱為縱向力矩，是指作用在網(wǎng)板的流體動力對其重心所產(chǎn)生的力矩沿橫軸的分量，一般轉(zhuǎn)換為俯仰力矩系數(shù)Cm來分析比較。俯仰力矩系數(shù)有正負之分，其絕對值大小表示俯仰力矩的高低，一般Cm趨于0表示該網(wǎng)板的穩(wěn)定性越優(yōu)。在α=5°左右時，兩塊網(wǎng)板均達到最大升阻比K，此時1號網(wǎng)板Cm的絕對值為0.013，2號網(wǎng)板Cm的絕對值為0.001。在α=0°～20°范圍內(nèi)，1號網(wǎng)板Cm的絕對值始終比2號網(wǎng)板大，意味著2號網(wǎng)板的穩(wěn)定性較好。在α>25°后，兩塊網(wǎng)板Cm的絕對值均小于0.10，比較穩(wěn)定。

3 結論

本文利用數(shù)值模擬的方法，研究了展弦比對矩形曲面網(wǎng)板水動力學性能的影響。模擬結果與物理模型試驗結果吻合較好，驗證了模擬的正確性。有以下結論：

（1）展弦比為2.0的1號網(wǎng)板的臨界沖角α=15°，Clmax=0.85，Cd=0.17。展弦比為1.5的2號網(wǎng)板的臨界沖角α=42°，Clmax=0.92，Cd=0.82。因此展弦比越大，臨界沖角越小，對應的Clmax和Cd越小。

（2）1、2號網(wǎng)板的最大升阻比K分別為9.59和8.35，在迎流沖角α=5°左右時達到，此時的俯仰力矩系數(shù)Cm的絕對值分別為0.013和0.001。在各自最大升力系數(shù)處，1、2號網(wǎng)板的升阻比K分別為5.05和1.12，俯仰力矩系數(shù)的絕對值分別為0.133和0.094。因此，展弦比越大，升阻比K越大，但穩(wěn)定性越差。

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（責編：張宏民）