PA單絲網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 浙江海洋大學水產學院，浙江 舟山 31600；2 浙江省海洋漁業裝備技術研究重點試驗室，浙江 舟山 31600；3 東京海洋大學 海洋科學技術研究科，日本 東京 108-8477)

漁業生產中的漁具絕大多數是由聚乙烯(PE)網片制作，隨著材料技術和紡織技術的發展，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)等被應用于漁業[1]。UHMWPE網片強度較高，用其制作的網具水動力性能優勢十分明顯[2-3]。Balash等[4]通過模型試驗發現，使用網線直徑較小的UHMWPE網片制作的蝦拖網比傳統聚乙烯拖網減阻31%，但UHMWPE網片高昂的價格在一定程度上限制了其大規模推廣應用。中國自主研發的HSPE單絲材料因其強度高、耐磨、性價比高等特性，被廣泛應用于拖網、網箱等漁業生產領域[5]。近年來，通過對日本沿岸海域的漁業調查發現，拖網的網袖和網蓋部分結構選用PA單絲網片，漁獲性能好于傳統的PE網片，作業油耗也明顯減少。林可等[6]的水槽試驗結果也證明，在網袖和網蓋部分使用PA單絲網片的拖網能減阻6.0%～12.1%。

不同材料網片制作的網具水動力特性往往會存在差異[7]，而網片作為網具的重要基本材料，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片水動力影響因素進行了研究，但并未發現網線材料(PA、PE、PET)對阻力系數的顯著影響。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)三種材料網片的水動力特性，發現PA經編網片阻力系數略小于其他兩種材料網片。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片的水槽試驗，發現垂直于水流時Dyneema網片的阻力系數比PA復絲網片小8%。但由于PA單絲網片通常應用于刺網，鮮見有PA單絲網片的水動力特性研究文獻及其在其他漁具中的應用報道。

為掌握PA單絲網片的水動力特性，探究其在拖網、網箱、建網等方面的應用合理性，設計了7種不同線面積系數α的PA單絲雙死結網片，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種不同線面積系數的PA復絲單死結網片、3種不同線面積系數的UHMWPE復絲單死結網片和PE絞捻網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

采用不同規格的7種PA單絲雙死結網片、3種PA復絲單死結網片、3種UHMWPE復絲單死結網片進行水槽試驗，網片參數如表1。

表1 試驗網片參數

表1中線面積系數α計算公式為：

(1)

式中：d—目腳直徑，mm；l—目腳長度，mm；φ—網目角度，(°)，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(TUMSAT)的循環動水槽中進行，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)測量試驗網片的水動力。在網片垂直于水流(θ=90°，θ為水流與網片試驗構件平面的沖角)時，采用流線型框架[11]進行測量(圖1a)。當網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片組成的試驗構件的阻力和升力，最后線性計算獲得試驗條件下網片所受阻力和升力。試驗水流設為 30、50、70、90 和 110 cm/s，試驗沖角為0°～90°，間隔10°。試驗時采用預加張力方法以減少試驗構件在高流速下發生振動和扭曲，預加張力可通過改變力儀和試驗構件間的細鋼絲長度獲得。

圖1 測量網片阻力和升力的試驗裝置圖

1.3 數據分析

網片的阻力系數CDθ和升力系數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—網片裝配面積，cm2；v—試驗水流速度，cm/s；θ—平面網片與水流的夾角，(°)，即沖角。當θ等于0°和90°時，CDθ分別表示平面網片平行于水流和垂直于水流時的阻力系數。采用目腳直徑d為特征長度的雷諾數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，N·s/m2。

2 結果與分析

2.1 PA單絲網片垂直于水流時的水動力特性

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

圖2 PA單絲網片垂直于水流時阻力系數CD90與雷諾數(Red)的關系

2.2 PA單絲網片平行于水流時的水動力特性

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

圖3 PA單絲網片平行于水流時阻力系數CD0與雷諾數(Red)的關系

2.3 PA單絲網片傾斜于水流時的水動力特性

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

圖4 不同沖角下的PA單絲網片阻力系數

圖5 不同沖角下的PA單絲網片升力系數

CDθ=CD90sinθ+(CD0+0.68αsinθ)cos2θ

(5)

CLθ=0.1α-0.4sin1.4θcosθ

(6)

2.4 PA單絲網片與其他材料網片的水動力特性比較

對不同材料網片阻力系數對比研究時，通常選用線面積系數相同或接近的網片。這種方法雖然直觀，但單一網片的結果往往容易受試驗系統誤差的影響，而且，當網片種類較多、線面積系數范圍較大的情況也會無法達成一致。當平面網片垂直或平行于來流時，可以將網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。

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

h=(1-α)l2sin2φ/4l

(7)

m=h/α

(8)

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

PA單絲:

6.5×104)

(9)

PA復絲：

7.5×104)

(10)

UHMWPE:

16.2×104)

(11)

PE[11]:

18.0×104)

(12)

由圖6可知，不同材料網片的阻力系數均隨著雷諾數的增加而減小，并逐漸趨于平穩，但不同材料間阻力系數出現明顯差異。在3.5×103

圖6 不同材料網片垂直于水流時阻力系數CD90與雷諾數Rem的關系

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

PA單絲：

6.5×105)

(13)

PA復絲：

6.2×105)

(14)

UHMWPE：

6.2×105)

(15)

PE[11]:

9.5×105)

(16)

由圖7可知，不同材料網片的阻力系數依然隨著雷諾數的增加而減小，并逐漸趨于平穩。計算發現，PA單絲網片的阻力系數平均比PA復絲網片大16.6%，比UHMWPE網片大35.3%，比Dong等[11]試驗中的PE網片小21.2%。

圖7 不同材料網片平行于水流時阻力系數CD0與雷諾數ReL的關系

3 討論

3.1 線面積系數的雙重影響

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

3.2 網片材料對阻力系數的影響

當網片垂直于水流時，可將網片結構模型化為管流來分析。對于管流來說，材料間阻力系數的差異主要是由網線表面粗糙度差異造成的，若表面越粗糙其阻力系數越大[10]。通過光學顯微鏡發現，PA復絲單死結網片和PE絞捻網片因存在捻合形成的紋路，導致其網線表面明顯比表面光滑的PA單絲雙死結網片更粗糙。因此，PA單絲雙死結網片的阻力系數相對較小。

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

當網片與水流方向平行時，可將網片結構模型化為帶有一定厚度的平板，這時網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。而網片結節的大小會直接影響網片的受流面積，由結節產生的阻力占總阻力的近1/4[19]；同時結節對于后部流態的影響可能遠大于目腳部分，結節越大上游網片的遮擋效果越強，流經后方網片的流速越小。本次試驗中PA單絲網片的結節為雙死結，其余兩種材料網片均為單死結，所以PA單絲網片的阻力系數明顯大于PA復絲網片和UHMWPE網片。

3.3 PA單絲網片的漁用優勢

PA單絲網片的水動力性能與傳統PE網片相比存在明顯優勢，平面網片垂直于水流時PA單絲網片阻力系數CD90比傳統PE網片小14.7%，平行于水流時PA單絲網片的阻力系數CD0比PE小21.2%。同時，PA單絲網片與普通PE、PA復絲網片相比拉伸強度更大[2-3]。在拖網的網袖和網蓋部可以使用網目更大、網線直徑更小的PA單絲網片來代替普通PE網片，這能大幅度減小拖網的線面積，從而直接減小拖網的阻力[20]。另外，PA單絲網片彎曲剛性較強，用其制作的底拖網在海上作業時不易出現類似于UHMWPE拖網淤塞與刺掛的現象[4]。PA單絲網片還適用于建網和養殖網箱，因為PA單絲網片垂直于來流時，阻力系數較小，使用PA單絲制作墻網和網箱能夠減小阻力；PA單絲光滑的網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；同時其優異的彎曲剛性能還能夠保證網具的抗風浪性和形狀穩定性[21-22]。因此，PA單絲網片在水產的各個領域都有其獨特的優勢，具有推廣應用的潛力。

4 結論

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

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