矩形曲面网板水动力性能的数值模拟
时间：2022-03-22 11:03:21 浏览次数：次
摘 要：拖网网板为网衣提供水平张力，是拖网作业系统非常重要的渔具构件之一。该文利用CFD软件FLUENT研究了展弦比对矩形曲面网板其水动力性能的影响。研究中设计了2种不同展弦比λ的网板，在流速1.54m/s，迎流冲角α = 0°～50°时，建立数值水槽进行数值模拟，得到网板的阻力系数Cd、升力系数Cl、俯仰力矩系数Cm和升阻比K，对比不同网板的水动力性能差异。结果表明，1号网板（λ = 2.0）与2号网板（λ = 1.5）的最大升力系数分别为0.85（α =15°）和0.92（α = 42°）；最大升阻比分别为9.59和8.35，俯仰力矩系数的绝对值分别为0.013和0.001。可见，展弦比越大，临界冲角和Cl值越小，最大升阻比越高，但稳定性越差。研究结果可为拖网网板的结构优化设计提供参考。
关键词：拖网网板；展弦比；水动力学性能；数值模拟
中图分类号 S141 文献标识码 A 文章编号 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
拖網作业具有灵活、高效、适应性强等特点，是最常见的一种捕捞方式，也是目前我国远洋捕捞中最主要的作业方式之一。网板是单船拖网系统中的重要组成部分，其水动力性能的优劣，关系到网具能否得到充分的扩张，从而直接影响到拖网渔具的渔获性能和经济效益[1-2]。因此，对网板水动力性能的研究以及对新型网板的开发，一直是国内外渔业工程研究者的关注重点。
挪威、日本、法国等渔业发达国家对网板水动力性能的改进研究较早，相继开发出大展弦比矩形曲面网板、综合型网板（椭圆形曲面开缝网板）、立式V型曲面网板和矩形V型曲面开缝网板等各种高性能网板[3]。A.Sala等[4]通过模型与原型试验相对比的方法，研究了2种矩形V型曲面开缝网板的水动力性能及其对海底栖息地的破坏影响。Yuki等[5]用计算流体动力学方法研究了复翼式曲面网板的水动力特性，并通过软件可视化将网板周围的流场形态展现出来，与模型试验进行对比，得到较好的吻合效果。Balash等[6]研究了2种柔性蝠翼式网板，分析了网板的膨胀和扭曲对网板水动力特性及稳定性的影响，发现膨胀可以提高升力，扭曲可以减小阻力从而提高升阻比，适当的扭曲对网板稳定性是有利的。
中国对拖网网板水动力性能的研究起步较晚，网板的结构形式较国外比较单一。中国的网板模型试验主要在风洞设备中完成。郭根喜等[7]较系统的对网板进行了研究，包括网板的几何结构、开缝数量、导流翼相对高度对不同类型网板水动力性能的影响。张勋等[8]、王锦浩等[9]分别研究了矩形V型曲面网板开缝口导流板曲率、展弦比、缝口位置和缝口宽度等参数对网板水动力性能的影响。王磊等[10]研究了叶板尺度比例变化对单缝立式曲面网板水动力性能的影响，发现导流板尺度过小会增加网板阻力，过长则会降低网板升阻比。刘健等[11]通过水槽模型试验，研究了展弦比为1.0的矩形曲面网板在不同水平倾角和迎流冲角下的水动力性能。
国内目前对网板水动力性能的研究手段多数是在风洞和水槽中进行模型试验，对设备要求较高，同时需要大量的人力财力，且误差较大。随着计算机模拟仿真技术的发展，利用数值模拟的方法对网板水动力性能进行研究，将会更加省时省力，研究内容也会更加灵活。本文利用CFD软件FLUENT对矩形曲面网板进行数值模拟，研究展弦比变化对网板水动力性能的影响，以期为优化拖网网板性能提供参考。
1 数值模型
1.1 控制方程 本文假设流体不可压缩、各向同性，控制方程包括连续性方程和N-S方程：
[∇∙V=0] （1）
[∂V∂t+（V∙∇）∙V=-1ρ∇p+μρ∇2V+F] （2）
式中：[V]为速度；[t]为时间；[p]为压力；[F]为体积力；[ρ]为密度；[μ]为动力粘度。
1.2 参数定义 描述网板水动力特性的参数主要有雷诺数Re、阻力系数Cd、升力系数Cl、升阻比K、纵向力矩系数Cm。计算公式如下：
[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为来流速度（m·s-1）；b为网板弦长（m）；ρ为流体密度（kgm-3）；μ为流体动力粘度（kgm-1s-1）；Fd为网板阻力（N）；S为网板面积（m2）；Fl为网板扩张力（N）；Mz为俯仰力矩（N·m）。
1.3 网板结构参数 网板的基本尺寸如图1所示，L为网板翼展，b为网板翼弦，f为网板的最大厚度，展弦比λ=L/b，迎流冲角α为网板翼弦与来流方向的夹角，网板模型如图2所示。因为矩形曲面网板为对称结构，因此在计算时，可模拟网板的一半，将大大节省计算时间。
圖1 网板基本尺寸
图2 网板模型
本文研究对象为2种不同展弦比的矩形曲面网板，迎流冲角α均为0°～50°范围，网板的具体规格见表1。
表1 网板规格
[编号翼展
（L/m）翼弦
（b/m）展弦比
（λ）面积
（S/m2）最大厚度
（f/m）12.141.072.02.30.10721.861.241.52.30.124]
1.4 模型参数设置 网板周围的网格划分如图3所示，靠近网板的区域选择六面体单元，远场区域选择四面体单元来进行计算，第一层网格高度为b/100。计算区域如图4所示，水的密度ρ为998.2kg·m-3，动力粘度μ为0.001003kg·m-1·s-1，上游入口处设为速度入口边界（velocity inlet），速度为1.54m/s，方向沿x轴正向的均匀流，湍流强度为2.6%，湍流长度尺度为0.07b。下游出口设为完全发展自由出流边界（outflow）。计算区域的底面设为对称边界（symmetry），网板表面及计算域其他边界均设为不可滑移壁面（no-slip wall）。
图3 网板周围网格划分（α=20°）
图4 计算域整体网格划分
1.5 数值计算方法 经验证，湍流模型选择标准[k-ω]模型，控制方程采用有限体积法进行离散，对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用二阶中心差分格式，计算步长为0.004s。
2 结果与分析
2.1 升力系数Cl和阻力系数Cd 网板的升力系数Cl和阻力系数Cd随迎流冲角α的变化曲线如图5所示。从图5可以看出，网板的阻力系数Cd随迎流冲角α的增大均呈上升趋势。1号网板的升力系数Cl在α=0°～15°范围内随着α的增大而增大，在α=15°时达到最大值Clmax=0.85，此时的Cd=0.17。在α=15°～20°范围时，Cl有所下降，在α=20°时Cl=0.73。在α=20°～35°之间，随着α的增大，升力系数有略微增加，当α>35°后，随着α的增大，升力系数呈下降趋势。2号网板的Cl在α=0°～27°范围内先增后降，在α= 15°左右达到较大值为0.80，在α=27°～42°范围内，Cl持续上升，在α=42°时达到最大值Clmax=0.92，此时的Cd= 0.82。当α>42°后，升力系数开始下降。图中Cl-exp和Cd-exp分别为2号网板的物理模型试验所得到的升力系数和阻力系数曲线[7]，从图中可以看出，数值模拟得到的Cd曲线与物模试验相差不大，吻合较好。试验得到的最大升力系数Clmax=1.08（α=27°），数值模拟为Clmax=0.92（α=42°），两者在数值上相差不大，但是所对应的冲角有较大差距。产生误差的原因有以下：（1）数值模拟没有考虑摩擦力；（2）由于物模试验时间较早，且在风洞中进行，试验装置和条件有限制，只在迎流冲角为5°～30°范围内进行了试验，数据有限。从阻力系数曲线的拟合效果与升力系数曲线的变化范围和趋势来看，数值模拟的结果是正确的。
图5 升力系数Cl和阻力系数Cd随冲角α的变化曲线
2.2 升阻比K和俯仰力矩系数Cm 如图6所示，升阻比K随着迎流冲角α的增加呈先升后降趋势。从图7可以看出，1号网板的升阻比K较高，最大为K=9.59（α=5°），2号网板的最大升阻比K=8.35（α=5°），两种网板最大升阻比时对应的迎流冲角大致相同。但是，在最大升阻比对应的冲角α=5°时，网板的升力系数并不高，无法充分扩张网口，最大升力系数对应冲角附近升阻比的大小也很重要。1号网板在α=15°（最大升力系数对应冲角）时，升阻比K=5.05，2号网板在α=42°时，升阻比K=1.12。2号网板升阻比K的模拟结果与试验相比较，两者在α=5°时完全吻合，随着α的增大，K均呈下降趋势，数值模拟结果与试验结果的变化趋势是一致的。
图6 升阻比K和俯仰力矩Cm随迎流冲角α的变化曲线
俯仰力矩也称为纵向力矩，是指作用在网板的流体动力对其重心所产生的力矩沿横轴的分量，一般转换为俯仰力矩系数Cm来分析比较。俯仰力矩系数有正负之分，其绝对值大小表示俯仰力矩的高低，一般Cm趋于0表示该网板的稳定性越优。在α=5°左右时，两块网板均达到最大升阻比K，此时1号网板Cm的绝对值为0.013，2号网板Cm的绝对值为0.001。在α=0°～20°范围内，1号网板Cm的绝对值始终比2号网板大，意味着2号网板的稳定性较好。在α>25°后，两块网板Cm的绝对值均小于0.10，比较稳定。
3 结论
本文利用数值模拟的方法，研究了展弦比对矩形曲面网板水动力学性能的影响。模拟结果与物理模型试验结果吻合较好，验证了模拟的正确性。有以下结论：
（1）展弦比为2.0的1号网板的临界冲角α=15°，Clmax=0.85，Cd=0.17。展弦比为1.5的2号网板的临界冲角α=42°，Clmax=0.92，Cd=0.82。因此展弦比越大，临界冲角越小，对应的Clmax和Cd越小。
（2）1、2号网板的最大升阻比K分别为9.59和8.35，在迎流冲角α=5°左右时达到，此时的俯仰力矩系数Cm的绝对值分别为0.013和0.001。在各自最大升力系数处，1、2号网板的升阻比K分别为5.05和1.12，俯仰力矩系数的绝对值分别为0.133和0.094。因此，展弦比越大，升阻比K越大，但稳定性越差。
参考文献
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（责编：张宏民）