PA單絲網(wǎng)片水動力特性水槽試驗研究

俞鴻源，尤鑫星，曲曉玉，胡夫祥，宋偉華

(1 浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江 舟山 31600；2 浙江省海洋漁業(yè)裝備技術(shù)研究重點試驗室，浙江 舟山 31600；3 東京海洋大學(xué) 海洋科學(xué)技術(shù)研究科，日本 東京 108-8477)

漁業(yè)生產(chǎn)中的漁具絕大多數(shù)是由聚乙烯(PE)網(wǎng)片制作，隨著材料技術(shù)和紡織技術(shù)的發(fā)展，越來越多的高強度合成纖維材料如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、高強度聚乙烯(HSPE)等被應(yīng)用于漁業(yè)[1]。UHMWPE網(wǎng)片強度較高，用其制作的網(wǎng)具水動力性能優(yōu)勢十分明顯[2-3]。Balash等[4]通過模型試驗發(fā)現(xiàn)，使用網(wǎng)線直徑較小的UHMWPE網(wǎng)片制作的蝦拖網(wǎng)比傳統(tǒng)聚乙烯拖網(wǎng)減阻31%，但UHMWPE網(wǎng)片高昂的價格在一定程度上限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用。中國自主研發(fā)的HSPE單絲材料因其強度高、耐磨、性價比高等特性，被廣泛應(yīng)用于拖網(wǎng)、網(wǎng)箱等漁業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[5]。近年來，通過對日本沿岸海域的漁業(yè)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，拖網(wǎng)的網(wǎng)袖和網(wǎng)蓋部分結(jié)構(gòu)選用PA單絲網(wǎng)片，漁獲性能好于傳統(tǒng)的PE網(wǎng)片，作業(yè)油耗也明顯減少。林可等[6]的水槽試驗結(jié)果也證明，在網(wǎng)袖和網(wǎng)蓋部分使用PA單絲網(wǎng)片的拖網(wǎng)能減阻6.0%～12.1%。

不同材料網(wǎng)片制作的網(wǎng)具水動力特性往往會存在差異[7]，而網(wǎng)片作為網(wǎng)具的重要基本材料，其水動力特性的研究就顯得非常重要，研究不同材料網(wǎng)片水動力特性的文獻較多。Wang等[8]針對平行于水流方向的網(wǎng)片水動力影響因素進行了研究，但并未發(fā)現(xiàn)網(wǎng)線材料(PA、PE、PET)對阻力系數(shù)的顯著影響。而Tang等[9]研究對比了小沖角工況下聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚對苯二甲酸乙二醇酸(PET)三種材料網(wǎng)片的水動力特性，發(fā)現(xiàn)PA經(jīng)編網(wǎng)片阻力系數(shù)略小于其他兩種材料網(wǎng)片。Kumazawa等[10]對超高分子量聚乙烯(Dyneema)、PA、聚乙稀醇(PVA)等不同材料進行了網(wǎng)片的水槽試驗，發(fā)現(xiàn)垂直于水流時Dyneema網(wǎng)片的阻力系數(shù)比PA復(fù)絲網(wǎng)片小8%。但由于PA單絲網(wǎng)片通常應(yīng)用于刺網(wǎng)，鮮見有PA單絲網(wǎng)片的水動力特性研究文獻及其在其他漁具中的應(yīng)用報道。

為掌握PA單絲網(wǎng)片的水動力特性，探究其在拖網(wǎng)、網(wǎng)箱、建網(wǎng)等方面的應(yīng)用合理性，設(shè)計了7種不同線面積系數(shù)α的PA單絲雙死結(jié)網(wǎng)片，通過水槽試驗研究其在不同試驗工況下的水動力特性，并與3種不同線面積系數(shù)的PA復(fù)絲單死結(jié)網(wǎng)片、3種不同線面積系數(shù)的UHMWPE復(fù)絲單死結(jié)網(wǎng)片和PE絞捻網(wǎng)片的水動力特性進行對比研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采用不同規(guī)格的7種PA單絲雙死結(jié)網(wǎng)片、3種PA復(fù)絲單死結(jié)網(wǎng)片、3種UHMWPE復(fù)絲單死結(jié)網(wǎng)片進行水槽試驗，網(wǎng)片參數(shù)如表1。

表1 試驗網(wǎng)片參數(shù)

表1中線面積系數(shù)α計算公式為：

(1)

式中：d—目腳直徑，mm；l—目腳長度，mm；φ—網(wǎng)目角度，(°)，為兩相鄰目腳夾角的一半。

1.2 試驗方法

水槽試驗在東京海洋大學(xué)(TUMSAT)的循環(huán)動水槽中進行，水槽長9 m，寬2.2 m，水深1.6 m。試驗裝置如圖1所示，采用三分力儀(5 kgf,Denshikogyo Co.,日本)和六分力儀(5 kgf,Denshikogyo Co.,日本)測量試驗網(wǎng)片的水動力。在網(wǎng)片垂直于水流(θ=90°，θ為水流與網(wǎng)片試驗構(gòu)件平面的沖角)時，采用流線型框架[11]進行測量(圖1a)。當網(wǎng)片與水流平行或傾斜時，采用圓柱形框架進行測量(圖1b)。兩種框架內(nèi)徑尺寸均為50 cm×50 cm。水槽試驗時，首先測定試驗框架的阻力和升力，其次測定相同試驗條件下由框架和網(wǎng)片組成的試驗構(gòu)件的阻力和升力，最后線性計算獲得試驗條件下網(wǎng)片所受阻力和升力。試驗水流設(shè)為 30、50、70、90 和 110 cm/s，試驗沖角為0°～90°，間隔10°。試驗時采用預(yù)加張力方法以減少試驗構(gòu)件在高流速下發(fā)生振動和扭曲，預(yù)加張力可通過改變力儀和試驗構(gòu)件間的細鋼絲長度獲得。

圖1 測量網(wǎng)片阻力和升力的試驗裝置圖

1.3 數(shù)據(jù)分析

網(wǎng)片的阻力系數(shù)CDθ和升力系數(shù)CLθ[12]由下式得到:

(2)

(3)

式中：Dθ—阻力，g；Lθ—升力，g；ρ—流體密度，g/cm3；S—網(wǎng)片裝配面積，cm2；v—試驗水流速度，cm/s；θ—平面網(wǎng)片與水流的夾角，(°)，即沖角。當θ等于0°和90°時，CDθ分別表示平面網(wǎng)片平行于水流和垂直于水流時的阻力系數(shù)。采用目腳直徑d為特征長度的雷諾數(shù)Red：

(4)

式中：v—試驗水流速度，cm/s；d—目腳直徑，mm；υ—流體的動黏性系數(shù)，N·s/m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 PA單絲網(wǎng)片垂直于水流時的水動力特性

網(wǎng)片垂直于水流時雷諾數(shù)(Red)的特征長度采用目腳直徑d，圖2所示，7種試驗的PA單絲雙死結(jié)網(wǎng)片阻力系數(shù)CD90數(shù)值在1.043～1.411之間，隨著雷諾數(shù)的增加而減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。線面積系數(shù)越大，阻力系數(shù)CD90越大。

圖2 PA單絲網(wǎng)片垂直于水流時阻力系數(shù)CD90與雷諾數(shù)(Red)的關(guān)系

2.2 PA單絲網(wǎng)片平行于水流時的水動力特性

圖3所示，網(wǎng)片平行于水流時CD0在0.223～0.359范圍內(nèi)，隨著雷諾數(shù)Red的增加逐漸減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，其中線面積系數(shù)較小的網(wǎng)片(α≤0.1))阻力系數(shù)CD0波動明顯。網(wǎng)片平行于水流時阻力系數(shù)CD0隨著線面積系數(shù)α的減小而增大，這與垂直時的試驗結(jié)果不同。由此發(fā)現(xiàn)線面積系數(shù)α對網(wǎng)片的阻力系數(shù)存在雙重影響：網(wǎng)片垂直于水流時，阻力系數(shù)CD90與線面積系數(shù)呈正相關(guān)；網(wǎng)片平行于水流時，阻力系數(shù)CD0與線面積系數(shù)呈負相關(guān)。

圖3 PA單絲網(wǎng)片平行于水流時阻力系數(shù)CD0與雷諾數(shù)(Red)的關(guān)系

2.3 PA單絲網(wǎng)片傾斜于水流時的水動力特性

圖4顯示了PA單絲網(wǎng)片傾斜于水流時的阻力系數(shù)CDθ隨沖角θ的變化趨勢。隨著沖角的增大，阻力系數(shù)CDθ一直保持遞增的趨勢。在10°時，大線面積系數(shù)網(wǎng)片的阻力系數(shù)小于小線面積系數(shù)的網(wǎng)片；但當沖角超過20°時，大線面積系數(shù)網(wǎng)片的阻力系數(shù)大于小線面積系數(shù)的網(wǎng)片，本次線面積系數(shù)對阻力系數(shù)影響的轉(zhuǎn)變在試驗沖角10°～20°之間發(fā)生。由圖5可知，PA單絲網(wǎng)片的升力系數(shù)在沖角 0～50°范圍內(nèi)呈遞增趨勢，沖角為50°時升力系數(shù)達到最大值，但當沖角超過50°時，升力系數(shù)又呈遞減趨勢。利用非線性最小二乘法得到PA單絲網(wǎng)片阻力系數(shù)CDθ和升力系數(shù)CLθ的經(jīng)驗公式:

圖4 不同沖角下的PA單絲網(wǎng)片阻力系數(shù)

圖5 不同沖角下的PA單絲網(wǎng)片升力系數(shù)

CDθ=CD90sinθ+(CD0+0.68αsinθ)cos2θ

(5)

CLθ=0.1α-0.4sin1.4θcosθ

(6)

2.4 PA單絲網(wǎng)片與其他材料網(wǎng)片的水動力特性比較

對不同材料網(wǎng)片阻力系數(shù)對比研究時，通常選用線面積系數(shù)相同或接近的網(wǎng)片。這種方法雖然直觀，但單一網(wǎng)片的結(jié)果往往容易受試驗系統(tǒng)誤差的影響，而且，當網(wǎng)片種類較多、線面積系數(shù)范圍較大的情況也會無法達成一致。當平面網(wǎng)片垂直或平行于來流時，可以將網(wǎng)片簡化為不同的物理模型，這能夠直觀比較材料間水動力特性差異。

當網(wǎng)片垂直于水流時，將水流流過網(wǎng)目看作水流流過非圓形管道，管道長度等于網(wǎng)線直徑。參考非圓形管流引入水力半徑h[13]為參數(shù)，進一步考慮網(wǎng)目形狀和目腳直徑對流態(tài)的影響，采用m為雷諾數(shù)的特征長度[10]，研究雷諾數(shù)Rem與阻力系數(shù)的關(guān)系。h與m的計算方法如下：

h=(1-α)l2sin2φ/4l

(7)

m=h/α

(8)

式中：α—網(wǎng)片的線面積系數(shù)；l—目腳長度，mm；φ—網(wǎng)目角度，(°)。使用非線性最小二乘法將試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到CD90與Rem的關(guān)系式。

PA單絲:

6.5×104)

(9)

PA復(fù)絲：

7.5×104)

(10)

UHMWPE:

16.2×104)

(11)

PE[11]:

18.0×104)

(12)

由圖6可知，不同材料網(wǎng)片的阻力系數(shù)均隨著雷諾數(shù)的增加而減小，并逐漸趨于平穩(wěn)，但不同材料間阻力系數(shù)出現(xiàn)明顯差異。在3.5×103

圖6 不同材料網(wǎng)片垂直于水流時阻力系數(shù)CD90與雷諾數(shù)Rem的關(guān)系

當網(wǎng)片平行于水流時，將網(wǎng)片看作平板[8]，取網(wǎng)片規(guī)格長度L為雷諾數(shù)的特征長度，考慮線面積系數(shù)對于阻力系數(shù)的影響，得到CD0與ReL、α的關(guān)系式。

PA單絲：

6.5×105)

(13)

PA復(fù)絲：

6.2×105)

(14)

UHMWPE：

6.2×105)

(15)

PE[11]:

9.5×105)

(16)

由圖7可知，不同材料網(wǎng)片的阻力系數(shù)依然隨著雷諾數(shù)的增加而減小，并逐漸趨于平穩(wěn)。計算發(fā)現(xiàn)，PA單絲網(wǎng)片的阻力系數(shù)平均比PA復(fù)絲網(wǎng)片大16.6%，比UHMWPE網(wǎng)片大35.3%，比Dong等[11]試驗中的PE網(wǎng)片小21.2%。

圖7 不同材料網(wǎng)片平行于水流時阻力系數(shù)CD0與雷諾數(shù)ReL的關(guān)系

3 討論

3.1 線面積系數(shù)的雙重影響

試驗中驗證了線面積系數(shù)對PA單絲雙死結(jié)網(wǎng)片阻力系數(shù)的雙重影響，這與其他材料的平面網(wǎng)片[14]所得到的結(jié)果一致。當平面網(wǎng)片平行于來流或與來流夾角較小時，水流經(jīng)過網(wǎng)片時上游的網(wǎng)目會對后方的網(wǎng)目產(chǎn)生遮擋效應(yīng)，導(dǎo)致流經(jīng)后方網(wǎng)片的流速減小，網(wǎng)片整體阻力減小[15]。線面積系數(shù)越大，產(chǎn)生的遮擋效應(yīng)越明顯，因此，小角度時線面積系數(shù)越大，網(wǎng)片阻力系數(shù)越小。而當網(wǎng)片與水流夾角緩慢增大時，遮擋效應(yīng)減弱，網(wǎng)片的阻力主要受迎流面積控制。此時，線面積系數(shù)越大表明網(wǎng)片空隙面積越小，網(wǎng)片濾水能力越弱阻力系數(shù)越大。為進一步驗證網(wǎng)片周圍流態(tài)，未來計劃使用PIV(粒子圖像測速法)等可視化手段對網(wǎng)片周圍流態(tài)進行研究。

3.2 網(wǎng)片材料對阻力系數(shù)的影響

當網(wǎng)片垂直于水流時，可將網(wǎng)片結(jié)構(gòu)模型化為管流來分析。對于管流來說，材料間阻力系數(shù)的差異主要是由網(wǎng)線表面粗糙度差異造成的，若表面越粗糙其阻力系數(shù)越大[10]。通過光學(xué)顯微鏡發(fā)現(xiàn)，PA復(fù)絲單死結(jié)網(wǎng)片和PE絞捻網(wǎng)片因存在捻合形成的紋路，導(dǎo)致其網(wǎng)線表面明顯比表面光滑的PA單絲雙死結(jié)網(wǎng)片更粗糙。因此，PA單絲雙死結(jié)網(wǎng)片的阻力系數(shù)相對較小。

線面積系數(shù)較小(α=0.044～0.089)的UHMWPE復(fù)絲單死結(jié)網(wǎng)片阻力系數(shù)僅為0.9左右，小于光滑的PA單絲網(wǎng)片，也明顯小于Cha等[16]試驗中UHMWPE網(wǎng)片的結(jié)果。在試驗中發(fā)現(xiàn)，線密度較小的UHMWPE復(fù)絲單死結(jié)網(wǎng)片在水流作用下會出現(xiàn)鼓起形變，以至于其與水流的夾角比設(shè)定沖角小，因而阻力系數(shù)也相對減小，類似情況卻未在其他材料的網(wǎng)片中出現(xiàn)。這也說明，在受力狀態(tài)下網(wǎng)片的變形與其物理特性中的彎曲剛性[17-18]有關(guān)，彎曲剛性弱的材料會因為試驗過程中實際沖角減小，導(dǎo)致阻力系數(shù)值減小。

當網(wǎng)片與水流方向平行時，可將網(wǎng)片結(jié)構(gòu)模型化為帶有一定厚度的平板，這時網(wǎng)線表面粗糙度所引起的摩擦阻力占整體阻力的比例較小[8]，因此表面粗糙度影響的材料間阻力特性差異性有限。而網(wǎng)片結(jié)節(jié)的大小會直接影響網(wǎng)片的受流面積，由結(jié)節(jié)產(chǎn)生的阻力占總阻力的近1/4[19]；同時結(jié)節(jié)對于后部流態(tài)的影響可能遠大于目腳部分，結(jié)節(jié)越大上游網(wǎng)片的遮擋效果越強，流經(jīng)后方網(wǎng)片的流速越小。本次試驗中PA單絲網(wǎng)片的結(jié)節(jié)為雙死結(jié)，其余兩種材料網(wǎng)片均為單死結(jié)，所以PA單絲網(wǎng)片的阻力系數(shù)明顯大于PA復(fù)絲網(wǎng)片和UHMWPE網(wǎng)片。

3.3 PA單絲網(wǎng)片的漁用優(yōu)勢

PA單絲網(wǎng)片的水動力性能與傳統(tǒng)PE網(wǎng)片相比存在明顯優(yōu)勢，平面網(wǎng)片垂直于水流時PA單絲網(wǎng)片阻力系數(shù)CD90比傳統(tǒng)PE網(wǎng)片小14.7%，平行于水流時PA單絲網(wǎng)片的阻力系數(shù)CD0比PE小21.2%。同時，PA單絲網(wǎng)片與普通PE、PA復(fù)絲網(wǎng)片相比拉伸強度更大[2-3]。在拖網(wǎng)的網(wǎng)袖和網(wǎng)蓋部可以使用網(wǎng)目更大、網(wǎng)線直徑更小的PA單絲網(wǎng)片來代替普通PE網(wǎng)片，這能大幅度減小拖網(wǎng)的線面積，從而直接減小拖網(wǎng)的阻力[20]。另外，PA單絲網(wǎng)片彎曲剛性較強，用其制作的底拖網(wǎng)在海上作業(yè)時不易出現(xiàn)類似于UHMWPE拖網(wǎng)淤塞與刺掛的現(xiàn)象[4]。PA單絲網(wǎng)片還適用于建網(wǎng)和養(yǎng)殖網(wǎng)箱，因為PA單絲網(wǎng)片垂直于來流時，阻力系數(shù)較小，使用PA單絲制作墻網(wǎng)和網(wǎng)箱能夠減小阻力；PA單絲光滑的網(wǎng)線表面也能有效減小海洋污損生物的附著，增加漁具濾水性；同時其優(yōu)異的彎曲剛性能還能夠保證網(wǎng)具的抗風浪性和形狀穩(wěn)定性[21-22]。因此，PA單絲網(wǎng)片在水產(chǎn)的各個領(lǐng)域都有其獨特的優(yōu)勢，具有推廣應(yīng)用的潛力。

4 結(jié)論

通過水槽試驗，探究了PA單絲雙死結(jié)網(wǎng)片的水動力特性：PA單絲雙死結(jié)網(wǎng)片垂直于水流時，阻力系數(shù)CD90在1.043～1.411范圍內(nèi)與線面積系數(shù)成正相關(guān)關(guān)系；平行于水流時，阻力系數(shù)CD0在0.223～0.359范圍內(nèi)與線面積系數(shù)成負相關(guān)關(guān)系；當PA單絲雙死結(jié)網(wǎng)片與水流方向呈傾斜角度時，阻力系數(shù)隨沖角的增大而增大，而升力系數(shù)CLθ先增大后減小，在50°時達到最大值。上游網(wǎng)目對于下游網(wǎng)目的遮擋效應(yīng)使得網(wǎng)片的線面積系數(shù)對于阻力特性存在雙重影響。PA單絲網(wǎng)片與其他材料網(wǎng)片相比，存在水動力性能或物理性能優(yōu)勢，在漁業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢，值得應(yīng)用推廣。

□