薄佳男，林 可，馬家志，胡夫祥，董書闖，尤鑫星，高 敏，宋偉華

(1浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江省海洋漁業(yè)裝備技術(shù)研究重點(diǎn)試驗(yàn)室，浙江 舟山 316000；2日本東京海洋大學(xué)，日本 東京 1080075)

隨著纖維材料生產(chǎn)工藝的發(fā)展，漁用材料已經(jīng)從棉制纖維轉(zhuǎn)變?yōu)榫垡蚁?、尼龍、滌綸等合成纖維材料，大大提高了生產(chǎn)效率[1-2]。而近些年來漁業(yè)生產(chǎn)開始向著海況更加復(fù)雜的海域發(fā)展，又對漁用材料的強(qiáng)度、抗風(fēng)浪能力等性能和制作工藝提出了更高的要求，因此對漁用高強(qiáng)度網(wǎng)片的研究愈發(fā)迫切。石建高等[3-7]將漁用高強(qiáng)度聚乙烯網(wǎng)片與普通聚乙烯編織線、普通聚乙烯六角形經(jīng)編網(wǎng)片、普通聚乙烯絞捻網(wǎng)片等的斷裂強(qiáng)力和拉伸性能等物理性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度網(wǎng)片因其具有的高強(qiáng)拉伸力學(xué)性能優(yōu)勢，可提高漁業(yè)生產(chǎn)效率和降低原材料消耗，為實(shí)現(xiàn)漁具和網(wǎng)箱大型化提供條件。

網(wǎng)片是大部分網(wǎng)漁具和養(yǎng)殖設(shè)施的基本構(gòu)件，其水動(dòng)力性能直接影響漁業(yè)生產(chǎn)的效率與安全，水動(dòng)力性能也成為評價(jià)一種網(wǎng)片的重要指標(biāo)。國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為網(wǎng)片的水動(dòng)力性能與雷諾數(shù)、網(wǎng)目系數(shù)、網(wǎng)片材料、縮結(jié)系數(shù)等諸多因素有關(guān)。有研究者通過對合成纖維網(wǎng)片的大量試驗(yàn)得到了阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，認(rèn)為其與流速、流體密度、網(wǎng)目面積和網(wǎng)目系數(shù)等相關(guān)[7]。Hosseini等[8]對無結(jié)節(jié)Dyneema網(wǎng)片在沖角變化下的阻力系數(shù)進(jìn)行研究并得到了阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。與電鍍合金、Dyneema等[9-10]其他材料的網(wǎng)片進(jìn)行對比，許永久等[11-12]研究了雷諾數(shù)、網(wǎng)目系數(shù)和沖角對無結(jié)節(jié)尼龍和無結(jié)節(jié)聚乙烯網(wǎng)片水動(dòng)力性能的影響，并對不同網(wǎng)目形狀的絞捻和經(jīng)編網(wǎng)片的水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析。曾啟東等[13]、宋偉華等[14]還對漁網(wǎng)在波浪下的水動(dòng)力進(jìn)行了研究。隨著計(jì)算機(jī)模擬和數(shù)學(xué)建模的發(fā)展，許多學(xué)者開始對網(wǎng)片所構(gòu)成的網(wǎng)箱和漁具等設(shè)施的受力和形變進(jìn)行數(shù)值模擬[15-17]。

高分子編結(jié)網(wǎng)片是一種以高分子聚乙烯為原材料研發(fā)的新型高強(qiáng)度漁用網(wǎng)片，該網(wǎng)片具有高耐磨性、耐海水腐蝕、耐光性和使用壽命長等的特點(diǎn)，并擁有更優(yōu)良的抗拉伸和抗斷裂性能[6]。由于該網(wǎng)片研發(fā)的主要目的在于提高其拉伸和斷裂性能、增加網(wǎng)片強(qiáng)度、延長使用壽命，因而容易忽略其水動(dòng)力特性對實(shí)際生產(chǎn)的影響。本研究設(shè)計(jì)了模型水槽試驗(yàn)，對高分子編結(jié)網(wǎng)片的水動(dòng)力特性進(jìn)行測試，為今后高分子漁用網(wǎng)片的設(shè)計(jì)改進(jìn)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)水槽

網(wǎng)片試驗(yàn)在日本東京海洋大學(xué)的循環(huán)水槽中進(jìn)行，變速裝置可控制水流速度，水槽尺度為9 m×2.2 m×1.6 m，標(biāo)準(zhǔn)水深1.6 m，可提供的最大流速3 m/s。

1.2 試驗(yàn)網(wǎng)片

舟山藍(lán)鯨漁用材料公司生產(chǎn)的高分子編結(jié)網(wǎng)片，是一種材料為聚乙烯的有結(jié)網(wǎng)片。所有試驗(yàn)用網(wǎng)片的面積均為49.5 cm×49.5 cm。網(wǎng)目系數(shù)α定義為網(wǎng)線面積占網(wǎng)片總面積的比值，其表達(dá)式為：

(1)

式中：α—網(wǎng)目系數(shù)；d—網(wǎng)線粗度，cm；a—目腳長度，cm；φ—相鄰目腳夾角的一半，由于試驗(yàn)網(wǎng)片為方形網(wǎng)目，則φ值統(tǒng)一為45°。使用網(wǎng)目系數(shù)方法能夠綜合考慮有無結(jié)節(jié)和網(wǎng)目形狀，便于將有結(jié)網(wǎng)片與無結(jié)網(wǎng)片進(jìn)行比較。

為了更準(zhǔn)確地得到和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將試驗(yàn)網(wǎng)片分為網(wǎng)線粗度不同的A、B兩組，其中A組網(wǎng)片的網(wǎng)線粗度分別為0.166、0.167、0.165、0.167 cm，B組網(wǎng)片的網(wǎng)線粗度分別為0.190、0.183、0.181、0.180 cm，A組網(wǎng)線粗度小于B組，兩組網(wǎng)片的參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)網(wǎng)片參數(shù)Tab.1 Parameters of netting for test

1.3 試驗(yàn)方法

為了保證試驗(yàn)網(wǎng)片的形狀在水流沖擊下保持不變，且能保持張開，用預(yù)加張力的方法對網(wǎng)片進(jìn)行裝配，并將網(wǎng)片固定在框架中。水槽試驗(yàn)使用的為4根流線型不銹鋼鋼管焊接而成的70 cm×70 cm的框架。根據(jù)流體力學(xué)原理，當(dāng)速度較大時(shí)物體所受阻力與物體后方產(chǎn)生的渦旋有關(guān)，流線型框架能夠降低框架所受阻力，減少尾部渦流和湍流對試驗(yàn)結(jié)果的影響。兩種框架所受的阻力隨流速變化的規(guī)律如圖1所示，框架受力隨流速增大而增大，且方形框架所受阻力遠(yuǎn)大于流線型框架，當(dāng)流速變大時(shí)，差距尤為明顯。

圖1 兩種框架在不同流速下的阻力Fig.1 Drag of the two frames at different velocity

在流速逐漸增大的工況下，將網(wǎng)目系數(shù)0.119的網(wǎng)片分別裝配成方形框架和流線型框架進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)置試驗(yàn)水流速度0.6 m/s，試驗(yàn)結(jié)果見表2。與方形框架相比，流線型框架的r值(框架承受阻力占總承受阻力的百分比，即：100%×框架承受力/總阻力)很小，框架對網(wǎng)片整體承受力影響不大。比較結(jié)果表明，流線型框架中網(wǎng)片得到的阻力系數(shù)普遍小于方形框架，可以認(rèn)為流線型框架更能夠保證試驗(yàn)結(jié)果的精度。

表2 流線型框架與方形框架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Tab.2 Comparison of test data between streamlined frame and square frame

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取

試驗(yàn)選取水流速度分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2和1.3 m/s，雷諾數(shù)的計(jì)算公式為：

(2)

式中：v—試驗(yàn)水流速度，m/s；d—特征長度，m；V—黏滯系數(shù)；Re—雷諾數(shù)。

通過調(diào)節(jié)角度控制器，使得網(wǎng)片與水流方向的傾角由0°逐漸增加至90°，每10°為一個(gè)間隔。水流速度由專業(yè)的流速計(jì)測得，數(shù)據(jù)以頻率20 Hz持續(xù)時(shí)間20 s的測量獲得，并通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，取平均值，其數(shù)據(jù)為網(wǎng)片和框架系統(tǒng)所受的總阻力和升力。網(wǎng)片所受阻力和升力為總受力減去相同試驗(yàn)條件參數(shù)下框架所受力來獲得。網(wǎng)片阻力系數(shù)的計(jì)算公式為：

(3)

式中：CD—阻力系數(shù)；D—阻力，N；ρ—流體密度，kg/m3；α—網(wǎng)目系數(shù)；S—縮結(jié)面積，m2；v—試驗(yàn)水流速度，m/s。

下面以2017年全國高考北京卷理科的第18題為例，對題目條件相關(guān)問題進(jìn)行了探究，以揭示看似簡單的條件背后的秘密.

本次試驗(yàn)分別設(shè)網(wǎng)片與水流垂直、平行和傾斜3種工況，其裝配方法在圖2中分別標(biāo)注為a、b、c。在結(jié)果分析中，為避免混淆，用CD90表示網(wǎng)片與水流垂直時(shí)的阻力系數(shù)、CD0網(wǎng)片與水流平行時(shí)的阻力系數(shù)、CDθ表示網(wǎng)片與水流傾斜時(shí)的阻力系數(shù)，分別對應(yīng)圖中a、b、c三種工況，各個(gè)工況下的阻力系數(shù)均采用公式(3)計(jì)算得出。

圖2 試驗(yàn)裝備設(shè)置簡圖Fig.2 Diagram of the test apparatus

2 結(jié)果與分析

2.1 阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

2.1.1 網(wǎng)片與水流垂直

在網(wǎng)片與水流方向垂直時(shí)，探究網(wǎng)片阻力系數(shù)(CD90)與雷諾數(shù)的關(guān)系。選擇A、B兩組網(wǎng)線粗度相近而α值不同的網(wǎng)片各4片(表1)進(jìn)行水槽試驗(yàn)，得到阻力系數(shù)與雷諾數(shù)(Re)的關(guān)系如圖3所示。不同規(guī)格的網(wǎng)片均存在CD90隨Re增大而減小的趨勢，在A組網(wǎng)片中，網(wǎng)目系數(shù)(α)為0.143、0.119、0.115的試驗(yàn)網(wǎng)片在1 3001 300以后下降幅度放緩；而在B組網(wǎng)片中，α為0.165的試驗(yàn)網(wǎng)片在1 3002 200之后CD90趨于平穩(wěn)。而A組試驗(yàn)網(wǎng)片全部出現(xiàn)在雷諾數(shù)Re過大時(shí)阻力系數(shù)CD90異常上升的情況。通過觀察，發(fā)現(xiàn)這是由于水流速度過大、固定網(wǎng)片的框架發(fā)生震動(dòng)所產(chǎn)生的誤差。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在相同雷諾數(shù)下，阻力系數(shù)隨著網(wǎng)目系數(shù)的增大而增大，因此認(rèn)為網(wǎng)目系數(shù)α對水動(dòng)力性能產(chǎn)生了不可忽視的影響。

2.1.2 網(wǎng)片與水流平行

在網(wǎng)片與水流方向平行時(shí)，阻力系數(shù)(CD0)與雷諾數(shù)(Re)的關(guān)系如圖4所示。A、B兩組試驗(yàn)網(wǎng)片的CD0變化規(guī)律與網(wǎng)片垂直于水流時(shí)相似，試驗(yàn)網(wǎng)片均出現(xiàn)隨著Re增大CD0減小的情況，但減少幅度趨于緩和，最終得到較為穩(wěn)定的CD0。A組試驗(yàn)網(wǎng)片在Re>1 300后CD0趨于穩(wěn)定，而B組試驗(yàn)網(wǎng)片在Re>1 500后CD0趨于穩(wěn)定。與網(wǎng)片垂直于水流相同，A、B兩組試驗(yàn)網(wǎng)片同樣存在因框架發(fā)生震動(dòng)而造成的在Re偏大時(shí)，CD0異常增大的現(xiàn)象。在相同Re情況下，CD0隨著網(wǎng)目系數(shù)(α)的增大而減小，這與網(wǎng)片與水流垂直工況下的規(guī)律相反。所以，當(dāng)網(wǎng)片平行于水流時(shí)，α越大，CD0反而越小。但A組α為0.119、0.115和B組α為0.114、0.110的試驗(yàn)網(wǎng)片的CD0相近，在α相近時(shí)，變化并不符合此規(guī)律。

圖3 網(wǎng)片與水流垂直時(shí)的阻力系數(shù)Fig.3 Drag coefficient of netting normal to water flow

圖4 網(wǎng)片與水流平行時(shí)的阻力系數(shù)Fig.4 Drag coefficient of netting parallel to water flow

2.1.3 網(wǎng)片與水流存在傾角

2.2 阻力系數(shù)的計(jì)算

當(dāng)試驗(yàn)網(wǎng)片與水流方向垂直和平行兩種工況時(shí)，根據(jù)水槽試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)，通過非線性最小二乘法，得到網(wǎng)片阻力系數(shù)(CD90，CD0)的經(jīng)驗(yàn)公式：

CD90=3.31α0.24Re-0.04(700≤Re≤6 000)

(4)

(5)

圖5 存在傾角時(shí)的阻力系數(shù)Fig.5 Drag coefficient of netting inclined to water flow

當(dāng)網(wǎng)片與水流方向呈一定沖角時(shí)，CDθ與沖角有關(guān)，根據(jù)田內(nèi)理論，網(wǎng)片的CDθ應(yīng)該與CD90和CD0有關(guān)。此外，通過觀察，α值的大小也在一定程度上影響著阻力系數(shù)的確定。故本文對試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過非線性最小二乘法，得到?jīng)_角變化下阻力系數(shù)的計(jì)算公式：

CDθ=CD90sinθ+9.81α(CD0-0.26sinθ)cos2θ

(6)

式中：CD90—網(wǎng)片與水流垂直時(shí)的阻力系數(shù)；CD0—網(wǎng)片與水流平行時(shí)的阻力系數(shù)；CDθ—網(wǎng)片與水流傾斜時(shí)的阻力系數(shù)；α—網(wǎng)目系數(shù)；θ—傾角。

2.3 升阻力系數(shù)比

升阻力系數(shù)比(K)反映了網(wǎng)片的氣動(dòng)效率，K值越大，則說明其流體動(dòng)力性能越好，表現(xiàn)了網(wǎng)片的流體力學(xué)特性。K與傾角的關(guān)系如圖6所示。K在總體上有隨傾角變大而先變大再變小的趨勢，在0°到10°范圍內(nèi)，K值迅速增大，而在30°到90°范圍內(nèi)，K值呈平穩(wěn)減小趨勢。在不同的速度下，各網(wǎng)片的K的極值均出現(xiàn)在20°到30°內(nèi)，最大K值約為0.41。K基本符合隨著流速增大而增大的規(guī)律，但在10°到20°范圍內(nèi)，v=1.2 m/s的網(wǎng)片，其K值反而比v=0.8 m/s和v=1.0 m/s時(shí)小，分析原因可能是流速過大對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了誤差。

圖6 升阻力系數(shù)比與傾角的關(guān)系Fig.6 The relationship between lift-drag ratio and inclined angle

3 討論

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式的比較

很多學(xué)者都對網(wǎng)片的水動(dòng)力進(jìn)行過研究并得出了經(jīng)驗(yàn)公式。其中Tang等[9]和Tsukrov等[19]所試驗(yàn)的無結(jié)網(wǎng)片，Hosseini等[8]和Balash等[18]則試驗(yàn)了有結(jié)網(wǎng)片。公式的變量包括網(wǎng)目系數(shù)、雷諾數(shù)和傾角(表3)。

表3 網(wǎng)片阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式Tab.3 Formulas for the drag coefficient of netting

在取相同網(wǎng)目系數(shù)的條件下，使用不同經(jīng)驗(yàn)公式，得到網(wǎng)片與水流垂直工況下的阻力系數(shù)的計(jì)算值。本試驗(yàn)與Tang等[9]、Balash等[18]一樣都綜合考慮了網(wǎng)目系數(shù)和雷諾數(shù)對阻力系數(shù)的影響，而本試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式對阻力系數(shù)的預(yù)測值高于后兩者的研究結(jié)果，可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)網(wǎng)片為編結(jié)結(jié)構(gòu)，相對于無結(jié)網(wǎng)片，容易得到更大的阻力系數(shù)；而Hoesseini等[8]和Tsukrov等[19]只研究了雷諾數(shù)對阻力系數(shù)的影響，但兩者經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測結(jié)果相差較大，這可能與試驗(yàn)條件、網(wǎng)片材料和網(wǎng)片結(jié)構(gòu)有關(guān)。

網(wǎng)片與水流平行工況下的阻力系數(shù)計(jì)算值如圖7所示。由于Balash等[18]和Tsukrov等[19]的經(jīng)驗(yàn)公式?jīng)]有討論沖角對阻力系數(shù)的影響，所以沒有對比上述兩項(xiàng)公式。本試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測值高于Tang等[9]和Hosseini等[8]的結(jié)果，除了試驗(yàn)條件和網(wǎng)片材料的影響外，網(wǎng)片的編結(jié)結(jié)構(gòu)和框架的抖動(dòng)也可能影響經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性。

圖7 阻力系數(shù)計(jì)算值的比較Fig.7 Contrast of drag coefficient calculated value

3.2 網(wǎng)目系數(shù)對阻力系數(shù)的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，阻力系數(shù)會隨著雷諾數(shù)的增加而減小，這與單根的圓柱體阻力系數(shù)變化規(guī)律相同，但網(wǎng)片的阻力系數(shù)卻大于圓柱體，說明網(wǎng)目之間的作用對阻力系數(shù)造成了影響。詹杰民等[20]的研究表明，在網(wǎng)片與水流垂直時(shí)，線面積系數(shù)越大，網(wǎng)片的阻力系數(shù)也就越大。虞聰達(dá)等[21]研究(d/a)值對平面網(wǎng)片阻力的影響表明，網(wǎng)片阻力與d/a值大致成冪函數(shù)關(guān)系，其實(shí)質(zhì)為d/a值的增大導(dǎo)致了線面積的增大，從而使阻力變大。王爾光等[22]研究平面網(wǎng)片與水流平行時(shí)阻力系數(shù)的影響因素，認(rèn)為阻力系數(shù)只與d/a值和縮結(jié)角有關(guān)，當(dāng)縮結(jié)角一定時(shí)，則d/a值越大阻力系數(shù)越小。為了探究網(wǎng)目間的相互作用對阻力系數(shù)的影響，將網(wǎng)目系數(shù)與阻力系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖8所示。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在網(wǎng)片與水流垂直時(shí)，阻力系數(shù)隨網(wǎng)目系數(shù)的增大而發(fā)生輕微波動(dòng)，但總體上呈上升趨勢；在網(wǎng)片與水流平行時(shí)，阻力系數(shù)隨著網(wǎng)目系數(shù)的增大而減小，實(shí)質(zhì)上與王爾光等[22]的結(jié)論類似。很多研究結(jié)果都證實(shí)了網(wǎng)目系數(shù)的雙重影響確實(shí)存在，原因可能是由于網(wǎng)片在水流中都會受到附壁效應(yīng)的影響，即水流在流過網(wǎng)線時(shí)，水流會沿著網(wǎng)線凸起的方向流動(dòng)，從而使得水流速度減小，進(jìn)而減小網(wǎng)片所受的阻力。附壁效應(yīng)的影響會隨著網(wǎng)片與水流的傾角減小而增大，當(dāng)網(wǎng)片與水流平行時(shí)，該效應(yīng)達(dá)到最大。

圖8 網(wǎng)目系數(shù)與阻力系數(shù)的關(guān)系Fig.8 The relationship between solidity ratio and drag coefficient

3.3 網(wǎng)線粗度對阻力系數(shù)的影響

值得注意的是，即便網(wǎng)目系數(shù)相近的兩片網(wǎng)片因網(wǎng)線粗度不同，其阻力系數(shù)也會有所差異，可以認(rèn)為網(wǎng)線的粗度對阻力系數(shù)也產(chǎn)生了影響。網(wǎng)線粗度(d)分別為0.165 cm和0.183 cm的網(wǎng)片，其網(wǎng)目系數(shù)分別為0.115和0.114，可近似認(rèn)為網(wǎng)目系數(shù)相同，其阻力系數(shù)變化如圖9所示。若網(wǎng)片與水流垂直，當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，網(wǎng)線較細(xì)網(wǎng)片的阻力系數(shù)更大；當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí)，網(wǎng)線較粗的網(wǎng)片阻力系數(shù)更大。當(dāng)雷諾數(shù)處于1 000

圖9 不同網(wǎng)線粗度網(wǎng)片的阻力系數(shù)Fig.9 Drag coefficient of netting with different wire thickness

4 結(jié)論

研究了高分子編結(jié)網(wǎng)片在不同水流速度和不同傾角下的水動(dòng)力性能，以探究該網(wǎng)片的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)和網(wǎng)目系數(shù)等因素的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該網(wǎng)片的阻力系數(shù)會隨著雷諾數(shù)的增大而減小并最終趨于穩(wěn)定；在網(wǎng)片與水流垂直時(shí)，阻力系數(shù)總體上有隨網(wǎng)目系數(shù)增大而增大的趨勢，但網(wǎng)片與水流平行時(shí)，網(wǎng)目系數(shù)越大，阻力系數(shù)反而越小，這種雙重效應(yīng)在前人的試驗(yàn)中同樣存在。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合了包含了網(wǎng)目系數(shù)和雷諾數(shù)的阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，與其他材料和結(jié)構(gòu)的網(wǎng)片相比，高分子編結(jié)網(wǎng)片的阻力系數(shù)始終偏大。考慮該網(wǎng)片是為了提高強(qiáng)度以適用于海況更加復(fù)雜、風(fēng)浪更大的海域，因此可能忽略了水動(dòng)力性能的影響，在海洋漁業(yè)生產(chǎn)中可能會產(chǎn)生較大的能耗。由于該網(wǎng)片強(qiáng)度高，可以考慮通過減小網(wǎng)線粗度來減小阻力系數(shù)。