立式V型曲面開縫網板的水動力性能數值模擬研究

徐 波，袁軍亭

（上海海洋大學 工程學院，上海 201306）

0 引言

網板是單船拖網作業的最主要屬具，其水動力性能的優劣，關系到網板的擴張性能，是影響漁獲量與捕撈效率的重要因素，直接影響到網板的漁獲性能與經濟效益[1～5]。隨著計算機軟件技術的發展，計算流體動力學（CFD）作為一種研究網板水動力性能的數值仿真方法應運而生[1,6,7]。CFD能夠研究網板的工作性能，更重要的是能夠在節省時間、成本的情況下仿真復雜的工作狀況[8]。因此，CFD被廣泛應用于三維結構體的流體動力學分析，如，船結構的設計和人工魚礁的外形設計[9]。Yelland[10]等用CFD研究船上部結構所受的風應力；percival[11]等用CFD優化了船的外殼。Takahashi[8]等用CFD在與水槽實驗相同條件下對雙翼型網板進行水動力性能分析，其分析結果與水槽實驗結果吻合。XU Qingchang[12]等用兩種數值仿真方法研究矩形V型網板，發現展弦比設定為0.49、反角設置為17°時，網板展現出更好的水動力性能。XU Qingchang[13]等用數值仿真方法評價全尺寸矩形網板的水動力性能，其結果正確地印證了先前的水槽實驗結果。XU Qingchang使用風洞實驗、水槽實驗與數值仿真分別研究雙導流板矩形曲面網板，結果表明風洞實驗與水槽實驗結果分別與各自的數值仿真結果吻合[14]。以上可鑒，CFD仿真方法是一種強有力的網板水動力性能研究方法，本文運用Fluent19.2研究立式V型曲面開縫網板的水動力性能。

1 數值模型

1.1 控制方程

網板數值仿真過程中，假設流體不可壓縮、各向同性，控制方程包括：

1）連續性方程

2）N-S方程

1.2 參數定義

描述網板水動力特性的參數主要有雷諾數Re、升力系數CL、阻力系數CD、升阻比K。

1.3 模型參數設置

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

圖1 網板流體動力學分析計算域

圖2 計算域邊界條件設置

1.4 數值計算方法

湍流模型選擇k-epsilon模型，控制方程采用有限體積法進行離散，瞬態方程采用第一順序隱式，計算步長為1s，計算步數設置為1000步。數值仿真參數設置[8,12,14,16,17]如表1所示。

表1 數值仿真參數設置

2 材料與方法

2.1 全尺寸網板

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

圖3 網板三維結構（左）和網板三維網格結構（右）

2.2 全尺寸網板的數值仿真

本文使用軟件ANSYS19.2的FLUENT對網板進行數值仿真，FLUENT在模擬仿真網板周圍的速度場更加精確[14]。在計算過程中，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]。計算模型選取標準的k-ε湍流模型改進的可實現的k-ε湍流模型進行網板流體仿真[13]。

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

圖4 殘差圖（收斂）

網板周圍的計算網格如圖5所示，網板的網格以非結構化形式劃分，網格單元的最小體積為0.1mm3以上，網格質量良好。網板及其他邊界采用局部加密的方式不斷驗證網格的可行性，保證網格單元的最小體積大于0.1mm3，最終取得計算精度較好的非結構化網格。網格的總單元數量約為2.8×106，節點數約為5.1×105。

邊界設定情況如圖2所示，入口邊界設定為速度入口，速度設置為0.4m/s～1m/s，速度增量設置為0.15m/s；出口邊界設定為壓力出口，相對壓力設置為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 數據處理

網板的升、阻力系數可以根據式(2)、式(3)進行計算，其中FL和FD由仿真得出相應的數值。計算公式如下：

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

圖5 板網周圍的計算網格示意圖

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CL與擴張力同阻力的比值K是衡量網板水動力性能的重要參數[1]，兩者的值越大，對網板的水動力性能越有利。如圖6所示F為網板受到的總作用力，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 網板受力與來流方向

3 全尺寸網板的仿真結果

3.1 全尺寸立式V型曲面開縫網板的水動力性能

如圖7所示為不同速度下影響全尺寸立式V型曲面開縫網板水動力性能的升力系數、阻力系數及的升阻比隨沖角的變化形成的曲線趨勢圖，圖7表明5種速度下的升力系數、阻力系數、升阻比曲線圖沒有明顯的變化，說明速度對網板的水動力性能影響甚微。阻力系數隨著沖角的增加而增加，升力系數與升阻比隨著沖角的增加呈先上升后下降的趨勢。當沖角α為45°時，升力系數取得最大值，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所對應的最大升力系數。5種速度狀況下升力系數曲線均表明當沖角α為45°時，網板的升力系數取得最大值，所以45°是立式V型曲面開縫網板臨界沖角，此時網板的擴張性能最好。網板的升阻比隨著沖角的增加先上升后下降，如表2是不同速度下所對應的最大升阻比，圖7的升阻比曲線圖表明升阻比在沖角α為20°時，取得最大值，此時網板的工作效率最高，表2數據表明5種速度情況下的最大升力系數與最大升阻比沒有顯著的變化，可以得出結論：速度對網板的水動力性能影響很小。由立式V型曲面開縫網板的升力系數與升阻比曲線圖得知此網板的工作沖角范圍很大，沖角在35°～45°范圍內升力系數與升阻比數值均處于較高值，網板的水動力性能良好，漁網的水平擴張性能很好，建議網板的工作沖角范圍為35°～45°。網板在35°～45°有更大的升力系數與較小的阻力系數，此范圍內網板的水平擴張性能好，這也驗證了Xu BS[21]等發現V型曲面網板與其他網板相比在水平擴張與總捕獲量上有更大的優勢。

表2 不同速度的最大升力系數與不同速度的最大升阻比

3.2 網板周圍的流線分布

圖7 升力系數與阻力系數（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域圖（渦流核心區域圖顯示的是漩渦區域），流線型視圖皆是取自切于網板中部水平板面的流線圖，渦流核心區域圖是相同沖角所對應的渦流狀態圖。圖中所示在沖角為10°時，網板的前緣背流面流線出現了分離，在α為15°～40°，流動分離逐漸向網板的后端發展，網板兩面（壓力面和背流面）的流線逐漸變得集中。在α為45°時流動完全分離，網板出現了失速現象。在沖角大于45°的情況下，漩渦開始散布，從網板前端向后緣移動，分離點移到網板的后緣，漩渦在尾跡區完全形成，更多的漩渦形成并逐漸擴散，流線保持分離的狀態。網板的升力由壓力差與翼尖渦流[22]誘導形成，渦流圖表明翼尖漩渦在較小的沖角（10°～40°）逐漸形成，翼尖漩渦的區域逐漸增加，在沖角為45°流動完全分離后，翼尖渦流區域開始擴散，之后逐漸坍塌，升力系數開始下降。在沖角大于45°后網板的背流面上部可以觀測到更大的翼尖漩渦[23]，在沖角為65°～80°逐漸發展。在沖角為85°時網板背流面由一個漩渦形成了兩個漩渦，即雙子渦[23]，在沖角為90°時，雙子渦完全形成。通過數值仿真驗證，其他入口速度下的網板狀態在流線型與渦流核心區域圖與速度為1m/s有相同的結果，表明立式V型曲面開縫網板在不同的速度狀態下有相同的水動力性能，進一步論證了速度對網板的水動力性能影響甚微。由渦流核心區域圖表明從沖角10°～45°網板的前端和后緣漩渦云圖逐漸分離，從原來沖角為10°時前端與后緣的漩渦云圖在網板中部水平板面相互重疊到沖角為45°出現完全分離，在沖角45°之后持續分離，進一步表明網板在沖角45°出現了失速現象。

圖8 網板周圍流線型（2d）分布（左）和渦流核心區域圖（右）

4 結語

立式V型曲面開縫網板的水動力性能曲線表明當沖角為45°時，網板有最大的升力系數，沖角為20°時，升阻比取得最大值，沖角為20°時網板取得了最大的升阻比，較大的升阻比出現在較小的沖角值的情況下，網板的升力系數在較小的沖角值的情況下非常小，沖角為45°時，網板的升阻比相對較大，因此45°是最佳工作沖角。

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

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

立式V型曲面開縫網板的水動力性能優于矩形V型網板。如圖10所示，XU Qingchang[12]等對矩形V型網板進行水動力性能模擬實驗，得到的升力系數與阻力系數在沖角10°～60°的變化曲線，其變化趨勢與圖7和圖9相同，在沖角40°取得最大升力系數，表明40°為矩形V型網板的最佳工作沖角，而立式V型曲面開縫網板的最佳工作沖角為45°，最大升力系數遠遠大于矩形V型網板。

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

圖9 升力系數隨沖角的變化曲線（左），阻力系數隨沖角的變化曲線（右）

圖10 升力系數、阻力系數與沖角的變化關系

5 結語

通過數值仿真模擬的方法對立式V型曲面開縫網板進行水動力性能研究，研究結果對于分析網板的水動力性能提供了依據，分析表明立式V型曲面開縫捕魚網板比矩形網板與矩形V型網板水動力性能更好，同時為以后的研究奠定了基礎。基于這些仿真結果，提高了立式V型曲面開縫捕魚網板的使用技能，有利于提高網板的漁獲效益。