中层网板水动力性能及流场可视化研究

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拖网是目前世界各地的主要捕捞作业方式之一,捕捞对象广泛,包括中层和底层水域的鱼类、虾类和其他经济类水产动物。拖网属于一种移动的过滤性渔具,依靠渔船动力和水流阻力等,使网具扩张,将其经过的水域中渔获物拖捕进入网囊,因此,网口的扩张效果直接影响着进入网具内的渔获量,也是评判拖网性能优劣的标准。据统计,2018年我国拖网捕捞产量占国内总海洋捕捞产量的47%,在我国渔业生产中占有非常重要的位置,故对拖网性能的研究备受我国学者的关注。在单船网板拖网系统中网衣和网板所占阻力比例最高,其中网衣约占总阻力的40%~65%,网板约占总阻力的13%~27%。网板是单船拖网作业的重要属具,主要作用为实现网具扩张、增加扫海面积,其水动力性能的优劣直接影响着拖网网口的扩张效果和拖网作业的渔获性能,进而影响拖网捕捞的经济效益,因此,开展水动力性能优良的网板的研究具有十分重要的意义。考虑到网板应具有广泛的适用性和普遍性,故网板应具有结构简单、易于操作、节省能源和造价低廉的特点。随着世界各国单船拖网渔业的快速发展,适用于不同类型拖网作业的网板相继被开发出来,主要的网板类型有矩形网板、椭圆形网板、V型网板、立式V型网板等。但是,这些传统的单翼网板在实际使用过程中都会出现遇到障碍物大角度改变拖向,容易翻倒,稳定性差等问题。20世纪90年代,日本学者Fukuda针对上述问题设计出由两个翼板组成,板体为双层曲面全钢结构的立式双曲面网板。因该网板具有高升力、稳定性好的优点,随后被广泛应用于日本东北及北海道近海的大、中型拖网渔业中。由于我国近海传统拖网作业是双船拖网(南海除外),对网板水动力性能的研究起步较晚,网板的结构形式单一。但近几年,随着远洋渔业的发展以及我国近海单拖渔业的发展,对网板的研究和新型网板的开发逐渐受到重视。对国外实践证明性能优良的立式双曲面网板的水动力性能进行研究,了解其水动力性能参数和作业性能,为我国渔业工作者开发适合我国中层拖网渔业特点的高性能网板提供科学依据是本研究的出发点。此外,进行立式双曲面网板水动力性能的研究也可为后续分析引入该型网板的可行性提供基础数据。水槽模型试验能够在可控条件下比较方便和准确地获取网板水动力性能参数,现已成为设计和开发网板过程中不可缺少的标准程序。随着计算机技术的快速发展,计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟因具有省时省力,研究内容灵活的优点,已在流体研究领域得到广泛应用,并已成为解决复杂物理问题的重要手段。将模型试验和数值模拟相结合进行网板水动力性能的研究,不仅能使研究结果相互辅佐与验证,也可为今后网板的优化和开发提供技术支撑。本文利用水槽试验和CFD数值模拟方法,研究立式双曲面网板不同展弦比λ(2.5、3.0、3.5、4.0)、弯曲度f/C(10%、15%、20%)、后退角Λ(0°、10°、15°)下的水动力性能,获得某一特定结构参数网板的最优水动力性能,探讨不同倾斜(前、后、内、外)状态对网板水动力性能的影响,对比两种方法的研究结果,并对网板周围流场和表面压力进行可视化,为网板性能优化提供科学依据。得到的主要结果如下:(1)2号网板(λ=3.0、f/C=15%、Λ=10°)升力系数最大,冲角25°时,模型试验值和数值试验值分别为1.70和1.88,随冲角变化趋势一致,均在冲角小于临界冲角时逐渐增大,冲角大于临界冲角后逐渐减小。阻力系数随冲角增大一直增大。升阻比的试验值和模拟值均在冲角10°时最大,分别为3.35和3.24。后部流速的模拟值和测定值平均偏差为4.40±2.3%,两者的吻合度高(P<0.01)。雷诺数在3×104~6.1×104之间,该网板的升力系数、阻力系数和力矩系数基本保持不变。(2)不同内、外倾斜状态下的网板水动力性能升力系数的试验值和模拟值均随倾角增大逐渐减小,倾角0°时达到最大;随冲角增大升力系数呈先增大后减小趋势,在临界冲角25°时达到最大,分别为1.70和1.88。阻力系数的试验值和模拟值均随倾角增大略微减小,随冲角增大逐渐增大。升阻比的模型试验和数值模拟值均随倾角增大逐渐减小;当内倾角为5°时,两者的升阻比均达到最大,分别为3.27和3.69。压力中心系数Cpb的试验值随倾角增大逐渐增大,而其模拟值基本上不随倾角变化而改变。网板处于外倾条件下,压力中心系数Cpc随倾角增大逐渐减小;内倾条件下,倾角增大时压力中心系数Cpc模拟值基本保持不变,但压力中心系数Cpc试验值则随倾角增大呈先减小后增大趋势。压力中心系数Cpb和Cpc的两种方法结果随冲角增大均保持基本不变。(3)不同前、后倾斜状态下的网板水动力性能升力系数的试验值和模拟值均随倾角增大逐渐减小,在倾角0°时最大。阻力系数的试验值随倾角增大略微减小,而其模拟值随倾角增大基本保持不变;阻力系数的两者研究结果随冲角增大均逐渐增大。升阻比的试验值和模拟值均随倾角和冲角增大逐渐减小,最大值分别为3.27和3.61。压力中心系数Cpb的试验值和模拟值随倾角增大基本保持不变。网板处于后倾状态时,压力中心系数Cpc的试验值和模拟值均随倾角增大而减小;前倾状态时,随倾角增大而增大。不同冲角下压力中心系数的试验值和模拟值基本保持不变。(4)2号网板周围流场和板面压力分布在没有倾斜的状态下,边界层分离点随冲角增大逐渐向翼端前沿移动,中心面后部涡旋随冲角增大不断增大,左翼板侧低压区随冲角增大呈先增大后减小趋势,网板尾部随冲角增大形成明显的翼端涡。网板处于不同倾斜状态下,网板中心面后部旋涡随倾角增大逐渐减小。当网板处于内、外倾状态时,前端流速衰减区随倾角增大逐渐增大;但当网板处于前、后倾状态时,衰减区随倾角增大逐渐减小。网板处于前倾状态时,压力中心随倾角增大逐渐向网板上端翼弦移动,网板处于后倾状态时则出现相反结果。压力中心距翼展距离随倾角变化基本保持不变。(5)立式双曲面网板和现行南极磷虾拖网网板水动力性能对比南极磷虾拖网网板(立式曲面网板)升力系数在冲角22°下达到最大,为1.35,临界冲角为30°,适宜工作冲角为21°~28°。阻力系数随冲角增大逐渐增大。升阻比在冲角15°时达到最大,为3.25。立式双曲面网板最大升力系数是南极磷虾拖网网板的1.3倍,稳定性也较南极磷虾网板高。若南极磷虾拖网渔业中应用立式双曲面网板时,相同拖网系统条件下估算网板面积为9.6m2,较南极磷虾网板减少了26%,使得网板更加小型化,易操作。
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