閆文彥，黃六一，李玉巖，王 剛，鄔騫力，尤鑫星

(中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，青島 266003)

魚(yú)類在游動(dòng)過(guò)程中與流體產(chǎn)生非常復(fù)雜的相互作用[1]。魚(yú)類會(huì)借助側(cè)線等器官感覺(jué)周圍流體的變化，通過(guò)身體的自主擺動(dòng)克服水流作用，以保持合適的魚(yú)體姿態(tài)和游泳速度[2-7]。在此過(guò)程中魚(yú)會(huì)消耗大量的能量，從而對(duì)其生存和生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響[8-9]。研究魚(yú)體的水動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)了解魚(yú)類與水域環(huán)境的適應(yīng)性、個(gè)體行為和集群特性、養(yǎng)殖技術(shù)和裝備開(kāi)發(fā)以及仿生學(xué)具有重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于魚(yú)體自身的肌肉運(yùn)動(dòng)、推進(jìn)機(jī)理、游泳能力等方面開(kāi)展較為豐富研究。Walters等[10]探究了鯖科魚(yú)類的身體形態(tài)和游泳性能；周仕杰等[11]對(duì)幾種幼魚(yú)曲線游泳能力進(jìn)行了比較研究；Altringham等[12]研究了在模擬游泳條件下肌肉力量的體外輸出模式；Liao等[13]比較了虹鱒在不同直徑圓柱體后方的游泳狀態(tài)和在自由水流中的游泳狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)魚(yú)類可以從環(huán)境產(chǎn)生的漩渦中獲取能量，以維持其原有的位置；Liao等[14]從能量的角度解釋了采用卡門步態(tài)游泳的鱒魚(yú)的神經(jīng)肌肉控制；Lauder等[15-16]分析了魚(yú)類游泳的幾種波動(dòng)推進(jìn)的經(jīng)典模式；喬曉冬等[17]分析了魚(yú)類游動(dòng)時(shí)反卡門渦街的形成和魚(yú)體推力的產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)果表明，反卡門渦街的形成是魚(yú)體游動(dòng)時(shí)產(chǎn)生推力的根本原因；周澍欣等[18]針對(duì)鯉魚(yú)的三維模型進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)其水阻力情況、流場(chǎng)流速分布和壓力分布情況進(jìn)行分析；Michele等[19]通過(guò)模擬肌肉功能來(lái)重現(xiàn)魚(yú)體游泳的主要特征，比較了不同游泳步態(tài)的性能，得到了頻率、波長(zhǎng)、尾振幅等關(guān)鍵參數(shù)與所達(dá)到的游泳速度或產(chǎn)生的推力之間的關(guān)系，從而獲得其游泳性能；田曉潔等[20]針對(duì)仿金槍魚(yú)三維模型的流場(chǎng)受力進(jìn)行對(duì)比研究，得到仿生機(jī)器魚(yú)可有效減少其水阻力，從而提高推進(jìn)效率；王猛等[21]從亞科層面對(duì)中國(guó)鯉科魚(yú)類游泳能力進(jìn)行了分析和總結(jié)；李明昊等[22]構(gòu)建了仿生虎鯨直行和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)負(fù)載可靠性分析的狀態(tài)函數(shù)，分析了仿生虎鯨的尾鰭設(shè)計(jì)變量對(duì)載荷的影響。之前大多數(shù)研究重點(diǎn)關(guān)注的是不同魚(yú)類的游泳模式與推進(jìn)效率關(guān)系，為相關(guān)仿生學(xué)裝備設(shè)計(jì)提供服務(wù)。隨著野生漁業(yè)資源的衰退，人類通過(guò)養(yǎng)殖魚(yú)類，獲取高質(zhì)量蛋白質(zhì)，已成為漁業(yè)的重要產(chǎn)業(yè)模式。養(yǎng)殖魚(yú)類自身的水動(dòng)力特性與養(yǎng)殖水域的流速、能量消耗和養(yǎng)殖效率以及養(yǎng)殖技術(shù)和裝備設(shè)計(jì)密切相關(guān)，而目前針對(duì)魚(yú)體自身的水動(dòng)力學(xué)特性的研究較少。

虹鱒呈紡錘狀，體略側(cè)扁，因其肉質(zhì)蛋白含量高、膽固醇含量極低，具有很高的食用價(jià)值、保健價(jià)值及可期的市場(chǎng)前景[23-25]，已成為中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要品種之一，是黃海冷水團(tuán)深遠(yuǎn)海大型鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)箱主要冷水魚(yú)養(yǎng)殖品種之一。

本研究以虹鱒為研究對(duì)象，依據(jù)其魚(yú)體特征參數(shù)構(gòu)建虹鱒三維模型，使用數(shù)值模擬方法探究虹鱒在不同流速和沖角下的水動(dòng)力特性、流場(chǎng)流速分布以及魚(yú)體表面壓力分布，并通過(guò)水槽試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果可為虹鱒的個(gè)體和群體行為、養(yǎng)殖水域的選擇、養(yǎng)殖技術(shù)和裝備開(kāi)發(fā)以及仿生學(xué)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 虹鱒模型

預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小體長(zhǎng)單個(gè)虹鱒模型在水流作用下的受力很小，儀器測(cè)量誤差對(duì)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響。本研究選取大規(guī)格虹鱒(全長(zhǎng)為84.22 cm，標(biāo)準(zhǔn)體長(zhǎng)78.00 cm，體質(zhì)量6.80 kg)，全長(zhǎng)和體質(zhì)量參考《中國(guó)鮭鱒魚(yú)養(yǎng)殖》[26]；體長(zhǎng)、體高、頭長(zhǎng)、體寬之間的關(guān)系參考李思忠等[27]對(duì)虹鱒的研究結(jié)果進(jìn)行換算；除尾鰭外，其他部位魚(yú)鰭厚度較小，3D打印較難實(shí)現(xiàn)，參照相關(guān)研究[20]，忽略其他魚(yú)鰭。模型基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 虹鱒魚(yú)模型基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of rainbow trout model

使用SolidWorks軟件構(gòu)建1∶1的虹鱒魚(yú)體數(shù)值模型(圖1a)，利用3D打印制作物理模型(圖1b)。3D打印材料選擇1.75 mm的聚乳酸(PLA)，打印精度為層高0.1 mm，壁厚1.0 mm。

圖1 虹鱒模型示意圖Fig.1 Schematic of rainbow trout model

1.2 模型試驗(yàn)

1.2.1 儀器設(shè)備

模型試驗(yàn)在中國(guó)海洋大學(xué)循環(huán)動(dòng)力水槽中進(jìn)行，水槽觀察段尺寸為4.0 m × 1.0 m × 1.2 m；利用小威龍vectrino點(diǎn)式流速儀測(cè)定試驗(yàn)流速，量程0～2 m/s，精度± 0.5%；穩(wěn)定流速范圍0.2～0.7 m/s；通過(guò)六分力儀傳感器測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中魚(yú)體受到的水動(dòng)力，量程0～50 kg，精度± 0.3%。

1.2.2 試驗(yàn)布設(shè)

試驗(yàn)布設(shè)如圖2所示，X方向沿水流方向，Y方向與水槽側(cè)壁垂直，Z軸垂直向上；通過(guò)兩根細(xì)螺紋桿(直徑d=10 mm)將虹鱒模型固定在六分力儀上，六分力儀處于觀察段中部，魚(yú)體中心線(吻端A尾鰭中心B的連線)距水面28 cm。魚(yú)體頭部的朝向-X方向。試驗(yàn)水溫為20℃。魚(yú)體中心線所在的水平面為魚(yú)體中心平面，作為后續(xù)研究流場(chǎng)分布的參考面。

圖2 試驗(yàn)布設(shè)圖Fig.2 Experimental layout diagram

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1 湍流模型

對(duì)于復(fù)雜幾何的外部流動(dòng)的問(wèn)題，常采用基于雷諾平均N-S(RANS)方程組的k-ε模型。其控制方程為：

(1)

(2)

式中：Ui表示i方向的濾波速度；uj表示j方向的濾波速度；P表示濾波壓力；ρ表示流體密度。

本研究使用Realizablek-ε模型，可以在雷諾應(yīng)力上保持與真實(shí)湍流的一致[28,29]。Realizablek-ε模型優(yōu)化了湍流粘度公式，從渦量擾動(dòng)量均方根的精確輸運(yùn)方程推導(dǎo)出ε方程。

Realizablek-ε模型的湍動(dòng)能及其耗散率輸運(yùn)方程為:

(3)

(4)

在上述方程中，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生，Gb是由浮力產(chǎn)生的紊流動(dòng)能；ym可壓速湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響。C2和C1ε是常數(shù)，σk，σε分別是湍動(dòng)能及其耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)，在 Fluent中，作為默認(rèn)值常數(shù)，C1ε=1.44，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.2。

1.3.2 計(jì)算域和邊界條件

本研究使用的計(jì)算軟件為ANSYS 2021版中的Fluent模塊。計(jì)算域與試驗(yàn)水槽觀察段尺度一致，設(shè)置為長(zhǎng)度L=4.0 m、寬度W=1.2 m、高度H=1.0 m。虹鱒魚(yú)模型在計(jì)算域中的布設(shè)位置與模型試驗(yàn)的布設(shè)相同。

流體選為20℃下等溫不可壓縮水流，利用壓力-速度分離求解器(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations-Consistent，SIMPLEC)開(kāi)展穩(wěn)態(tài)計(jì)算。重力加速度為9.8 m/s2。計(jì)算域左側(cè)為速度入口邊界條件，右側(cè)為壓力出口邊界條件，其余為對(duì)稱壁面邊界條件(圖3)，確保計(jì)算域側(cè)面邊界不會(huì)對(duì)魚(yú)體水動(dòng)力分布產(chǎn)生無(wú)關(guān)干擾。N-S方程(式2)的對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)在空間上的離散利用二階迎風(fēng)格式。收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為1×10-4，迭代計(jì)算步數(shù)為1 000步。

圖3 計(jì)算域及邊界條件Fig.3 Calculation domain and boundary condition

作為數(shù)值計(jì)算中的重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。一般在數(shù)值仿真計(jì)算中采用的網(wǎng)格包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有網(wǎng)格生成速度快、質(zhì)量好、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本研究采用的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以六面體單元為主，利用Poly-Hexcore網(wǎng)格劃分方法(圖4)，在魚(yú)體邊緣使用多面體網(wǎng)格與六面體網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)共節(jié)點(diǎn)連接，以達(dá)到提升求解效率與精度的目的[30-33]?？紤]到計(jì)算精度和計(jì)算資源的平衡，本研究劃分了5種網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)[34-36]。圖5表示0°沖角下0.4 m/s時(shí)魚(yú)體阻力系數(shù)隨著網(wǎng)格數(shù)的變化。由圖5可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到314萬(wàn)后，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，阻力系數(shù)基本保持不變。綜合考慮目前計(jì)算機(jī)能力和計(jì)算精度要求，計(jì)算中保證網(wǎng)格數(shù)量大于314萬(wàn)，根據(jù)不同的計(jì)算工況，實(shí)際使用的網(wǎng)格數(shù)量均處于400～500萬(wàn)之間。

圖4 網(wǎng)格示意圖Fig.4 Overview of the grids

圖5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.5 Mesh independence verification

1.4 工況設(shè)置

根據(jù)虹鱒的游泳速度、黃海冷水團(tuán)常規(guī)流速以及水槽穩(wěn)定流速范圍，選取試驗(yàn)流速為0.2～0.7 m/s，以0.1 m/s為間隔。沖角設(shè)定為來(lái)流方向與魚(yú)體中心線所在的縱向中剖面的水平夾角。將5條體長(zhǎng)約19 cm的虹鱒放在水槽中試驗(yàn)，從水槽頂部拍攝的圖像，獲取虹鱒在水流中投影線與來(lái)流方向的最大夾角為41.8°(圖6)。數(shù)值模擬時(shí)的沖角范圍據(jù)此設(shè)置為0°～45°范圍，以5°為間隔。

圖6 虹鱒游動(dòng)過(guò)程中魚(yú)體與水流的沖角Fig.6 The attack angle between the fish body andthe current during the swimming of therainbow trout

在水槽中保持魚(yú)體沖角15°，測(cè)定不同來(lái)流速度下的魚(yú)體所受水阻力，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在數(shù)值模擬驗(yàn)證時(shí)，為方便對(duì)照，將水槽試驗(yàn)固定模型的2根螺紋細(xì)桿一并設(shè)置在數(shù)值模型中，以減少誤差。在數(shù)值方法得到驗(yàn)證基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法開(kāi)展所有工況的計(jì)算。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

魚(yú)體的阻力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)和雷諾數(shù)計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中：Fx—水阻力，N；Fy—側(cè)向力，N；Cx—阻力系數(shù)；Cy—側(cè)向力系數(shù)；Re—雷諾數(shù)；ρ—水介質(zhì)密度，取998.3 kg/m3；S—受流面積(魚(yú)體沿體長(zhǎng)方向的中心截面)，m2；U—入流速度，m/s；d—特征長(zhǎng)度(體長(zhǎng))，m；v—水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)(20℃水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)為1.006×10-6m2/s)。

對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度無(wú)量綱處理，計(jì)算公式如下：

(8)

式中：K—速度比；Ui—速度場(chǎng)中任意點(diǎn)的速度；U—來(lái)流速度。

2 結(jié)果分析

2.1數(shù)值模擬與水槽試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

圖7為15°沖角時(shí)虹鱒魚(yú)體水阻力實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比。由圖7可以看出，模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的阻力曲線趨勢(shì)一致，均呈冪函數(shù)關(guān)系。在流速0.2～0.6 m/s時(shí)較為接近，流速0.4 m/s時(shí)相對(duì)誤差為2.56%，0.7 m/s時(shí)，相對(duì)誤差為14.02%。由此表明，本文采用的數(shù)值模擬方法具有較高的計(jì)算精度，能夠滿足后續(xù)的研究要求。

圖7 15°沖角時(shí)虹鱒魚(yú)體水阻力實(shí)驗(yàn)值 與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比Fig.7 Comparison of experimental and numerical resultson drag of rainbow trout at 15°

2.2 魚(yú)體水動(dòng)力特性

2.2.1 水動(dòng)力系數(shù)

魚(yú)體的阻力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系如圖8和圖9所示。不同沖角條件下，阻力系數(shù)Cx和側(cè)向力系數(shù)Cy隨著雷諾數(shù)增大基本保持不變。表明雷諾數(shù)在1.6×105～5.8×105區(qū)間時(shí)，同一沖角條件下，水動(dòng)力系數(shù)處于“自動(dòng)模型區(qū)”。

圖8 阻力系數(shù)Cx與雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系Fig.8 Relationship between drag coefficient and Reynolds number

圖9 側(cè)向力系數(shù)Cy與雷諾數(shù)Re的變化關(guān)系Fig.9 Relationship between side force coefficientand Reynolds number

由于在試驗(yàn)范圍內(nèi)，在同一沖角條件下，阻力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)基本不變，采用阻力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)平均值得到圖10為阻力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)與沖角關(guān)系曲線。由圖可知，在0°～45°沖角范圍內(nèi)，阻力系數(shù)Cx隨著沖角(α)增大呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì),其關(guān)系式為Cx=0.025 2 e0.073 1α(R2=0.994 6)；側(cè)向力系數(shù)Cy隨著沖角(α)的增大而呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，其關(guān)系式為Cy=0.015α(R2=0.977 8)。

圖10 水動(dòng)力系數(shù)與沖角的關(guān)系Fig.10 Relationship between hydrodynamic coefficientand inclinations

2.2.2 魚(yú)體周圍速度場(chǎng)特性

本研究取吻端與尾叉最深點(diǎn)連線所在的水平面為參考面(見(jiàn)圖2，魚(yú)體中心平面)，探究該平面上的速度分布。將魚(yú)體周圍流速大于來(lái)流速度(無(wú)量綱流速大于1)的區(qū)域定義為高流速區(qū)，低于來(lái)流流速(無(wú)量綱流速小于1)的區(qū)域定義為低流速區(qū)。圖11顯示了20°沖角時(shí)不同流速下魚(yú)體中心平面周圍無(wú)量綱流速分布。

圖11 20°沖角時(shí)不同流速下魚(yú)體中心平面周圍流場(chǎng)圖Fig.11 Velocity fields around the fish center plane at different velocities at 20°

由圖可知，當(dāng)沖角固定時(shí)，不同流速下高流速區(qū)和低流速區(qū)分布趨勢(shì)基本一致，因此，下文以0.6 m/s為例說(shuō)明由于沖角的變化而引起的速度場(chǎng)變化情況。

不同沖角、流速0.6 m/s時(shí)，魚(yú)體中心平面周圍流場(chǎng)分布如圖12所示。由圖12可知，在0°沖角時(shí)，魚(yú)體左右兩側(cè)流速對(duì)稱分布，在魚(yú)體最寬處流速最大，形成兩側(cè)的高流速區(qū)；頭部吻端和尾部附近流場(chǎng)流速較小，在頭部前端形成圓形的低流速區(qū)，沿尾柄形成長(zhǎng)條形低流速區(qū)。在沖角0°～15°時(shí)，迎流面高流速區(qū)出現(xiàn)于魚(yú)體最寬處到魚(yú)尾之間，說(shuō)明沖角和魚(yú)體結(jié)構(gòu)曲率對(duì)表面的流速分布具有協(xié)同影響。隨著沖角的逐漸增大，魚(yú)體背流面的高流速區(qū)逐漸向頭部前端移動(dòng)，迎流面高流速區(qū)呈現(xiàn)逐漸縮小的趨勢(shì)，在0°沖角時(shí)，迎流面高流速區(qū)占魚(yú)體中心平面面積的2.30%，當(dāng)沖角達(dá)到15°時(shí)，迎流面高流速區(qū)面積比例下降至1.14%。當(dāng)沖角大于15°時(shí)，背流面高流速區(qū)形態(tài)在魚(yú)體頭部穩(wěn)定后，魚(yú)體尾鰭兩側(cè)開(kāi)始逐漸形成影響范圍較小的高流速區(qū)，隨著沖角的增大而增大，并沿著背流面逐漸從尾鰭尖端向軀干移動(dòng)。這可能是由于邊界層在魚(yú)體頭部的背流面附近產(chǎn)生分離之后，魚(yú)體最寬處到魚(yú)尾之間曲率的變化導(dǎo)致了局部高流速區(qū)的產(chǎn)生。當(dāng)沖角達(dá)30°時(shí)，迎流面高流速區(qū)消失。在沖角0°～45°時(shí)，迎流面低流速區(qū)隨著沖角增大而逐漸擴(kuò)大，并由魚(yú)體前部吻端位置向后擴(kuò)散，尾部迎流面低流速區(qū)隨著沖角增大而前移，最終低流速區(qū)覆蓋整個(gè)迎流面。周澍欣等[18]對(duì)鯉魚(yú)的三維模型進(jìn)行了數(shù)值模擬探究，其流場(chǎng)結(jié)果與本研究一致，符合紡錘形魚(yú)體周圍流場(chǎng)的實(shí)際情況。

圖12 不同沖角下魚(yú)體中心平面周圍流場(chǎng)分布圖Fig.12 Velocity fields around the fish center plane with varying inclinations

2.2.3 魚(yú)體表面壓力分布

流速0.6 m/s，不同沖角條件下，魚(yú)體表面壓力分布如圖13所示。0°沖角時(shí)，由于對(duì)稱于來(lái)流方向，魚(yú)體迎流面和背流面的壓力分布一致，負(fù)壓集中在體寬最大處。負(fù)壓是由于魚(yú)體的特定體型造成的結(jié)果，這與上節(jié)中流體流經(jīng)魚(yú)體體寬最大處時(shí)，兩側(cè)區(qū)域形成高流速區(qū)的結(jié)果相吻合，也與田曉潔等[20]對(duì)仿金槍魚(yú)的研究結(jié)果一致。

圖13 不同沖角條件下魚(yú)體表面壓力分布云圖Fig.13 Surface pressure distribution nephogram offish with varying inclinations

魚(yú)體迎流面正壓區(qū)在沖角小于20°時(shí)，主要集中在頭部和尾部，當(dāng)沖角大于20°時(shí)，迎流面正壓區(qū)逐漸貫穿至整個(gè)軀干側(cè)面。隨著沖角的增大，迎流面上的負(fù)壓區(qū)域逐漸減少，負(fù)壓區(qū)逐漸向背、腹方向偏移。迎流面上的正壓區(qū)隨著沖角的增大逐漸增大，沖角0°時(shí)，正壓區(qū)占迎流面的23.90%，當(dāng)沖角達(dá)到45°時(shí)，迎流面的71.66%均為正壓區(qū)。在沖角0°～20°時(shí)，魚(yú)體最寬處到魚(yú)尾之間由于其曲率的變化，壓力幅值逐漸減小，而上文中迎流面高流速區(qū)同樣出現(xiàn)于魚(yú)體最寬處到魚(yú)尾之間，這說(shuō)明魚(yú)體表面的速度分布和壓力分布息息相關(guān)，符合伯努利原理。

魚(yú)體背流面正壓區(qū)在沖角小于10°時(shí)，只存在于魚(yú)體頭部和尾柄部位，正壓區(qū)在魚(yú)體背流面的占比大于16.89%，當(dāng)沖角大于10°時(shí)，頭部正壓區(qū)消失，尾柄部位正壓區(qū)隨著沖角的增大而減小，但在任意沖角條件下均為正壓，這也可以通過(guò)對(duì)照尾端速度的分布得到印證，當(dāng)沖角達(dá)到45°時(shí)，背流面上正壓區(qū)僅有1.35%。魚(yú)體背流面負(fù)壓區(qū)在0°到15°沖角范圍內(nèi)，隨著沖角的增加從最大體周處開(kāi)始向頭部擴(kuò)散，當(dāng)沖角大于15°時(shí)，魚(yú)從魚(yú)體頭部開(kāi)始，以魚(yú)體標(biāo)準(zhǔn)體長(zhǎng)(L)為基準(zhǔn)，提取魚(yú)體中心平面上的體表不同位置(0.1 L、0.25 L、0.5 L、0.75 L和0.9 L)的壓力數(shù)據(jù)(圖14和圖15)，分析迎流面和背流面上魚(yú)體表面的壓力變化規(guī)律。由圖可知，隨著沖角的增大，迎流面表面壓力整體上均呈上升趨勢(shì)；從魚(yú)體位置角度分析，0.25 L之前(魚(yú)體頭部)以及0.9 L位置(尾柄)，在所有沖角條件下，表面壓力整體上處于正壓力作用，其中，0.1 L處表面壓力均為最大，說(shuō)明魚(yú)體頭部受到的表面壓力最大，最大壓力出現(xiàn)在沖角30°時(shí)，最大值約為194.22 Pa；從沖角的角度分析，沖角25°～45°，各個(gè)部位壓力均為正壓，除尾柄位置外，各位置壓力基本上隨著沖角的增加而增加，與圖13中的壓力分布云圖相一致。背流面表面壓力整體上隨著沖角的增加呈線性下降趨勢(shì)；沖角30°之后，各個(gè)部位表面壓力均為負(fù)壓，其中，頭部的壓力變化最大，由0°沖角的正壓102.31 Pa，下降至負(fù)壓-345.91 Pa。所有沖角條件下，0.9 L位置(尾柄)的壓力在0 Pa附近，變化不大，與圖13的壓力云圖相吻合。

圖14 迎流面魚(yú)體不同部位的壓力變化Fig.14 The pressure in different parts of the fish bodychanges with varying inclinations in stoss side

圖15 背流面魚(yú)體不同部位的壓力變化Fig.15 The pressure in different parts of the fish bodychanges with varying inclinations in slip slope

3 結(jié)論

本研究依據(jù)虹鱒魚(yú)體特征參數(shù)，構(gòu)建虹鱒魚(yú)三維模型，在數(shù)值模擬和水槽試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法探究了虹鱒個(gè)體在不同流況下的水動(dòng)力特性、魚(yú)體中心平面周圍速度場(chǎng)分布以及魚(yú)體表面壓力分布情況。在試驗(yàn)流速(0.2～0.7 m/s)范圍內(nèi)，處于同一沖角條件下時(shí)，魚(yú)體水動(dòng)力系數(shù)均處于自動(dòng)模型區(qū)范圍內(nèi)；在0°～45°沖角范圍內(nèi)阻力系數(shù)Cx隨著沖角增大從0.027增大至0.599，呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，側(cè)向力系數(shù)Cy隨著沖角的增大而呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，最大達(dá)到了0.71；由于虹鱒魚(yú)體本身的體型特征，隨著沖角的增大，速度場(chǎng)中高流速區(qū)和低流速區(qū)呈現(xiàn)一定的移動(dòng)規(guī)律，隨著沖角的增大，魚(yú)體迎流面高流速區(qū)呈現(xiàn)逐漸后移并縮小的趨勢(shì)，背流面的高流速區(qū)逐漸向頭部前端移動(dòng)，背流面高流速區(qū)形態(tài)在魚(yú)體頭部穩(wěn)定后，魚(yú)體尾鰭兩側(cè)開(kāi)始逐漸形成影響范圍較小的高流速區(qū)，隨著沖角的增大而增大，并沿著背流面逐漸從尾鰭尖端向軀干移動(dòng)，說(shuō)明沖角和魚(yú)體結(jié)構(gòu)曲率對(duì)魚(yú)體周圍的流速分布具有協(xié)同影響；魚(yú)體結(jié)構(gòu)與表面的壓力分布密切相關(guān)，對(duì)于魚(yú)體的迎流面而言，表面壓力在不同位置上整體呈上升趨勢(shì)，其中魚(yú)體頭部受壓最大(最大值可達(dá)194.22 Pa)；對(duì)于背流面而言，背流面表面壓力整體上隨著沖角的增加呈線性下降趨勢(shì)，其中，頭部的壓力變化最大(102.31～-345.91 Pa)。以沖角的變化替代魚(yú)體的擺動(dòng)，忽略魚(yú)鰭對(duì)魚(yú)體水動(dòng)力學(xué)特性可能帶來(lái)的影響，此外魚(yú)體表面不同位置壓力分布和變化規(guī)律與魚(yú)體形狀密切相關(guān)，需要在今后開(kāi)展更為深入的研究。

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