王一博,初文華,張懷志,曹 宇,崔森琦,武樹(shù)龍

(1 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306;2 國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海 201306;3 上海海洋可再生能源工程技術(shù)研究中心,上海 201306;4 上海海洋大學(xué)工程學(xué)院,上海 201306)

網(wǎng)板是單船拖網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口擴(kuò)張、增加掃海面積的重要屬具,其水動(dòng)力性能直接影響網(wǎng)具的捕撈效率[1]。水槽模型試驗(yàn)?zāi)軌蛟诳煽貤l件下相對(duì)準(zhǔn)確地獲取網(wǎng)板水動(dòng)力性能系數(shù),是設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)網(wǎng)板過(guò)程中十分重要的技術(shù)手段[2-3]。

劉志強(qiáng)等[2]采用單因素試驗(yàn)法,利用水槽模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究立式雙曲面網(wǎng)板在不同展弦比、彎曲度、后退角下的水動(dòng)力性能。劉景彬等[4]基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)比分析了3種尺度比 (1∶2、1∶3和1∶4)及3種板面厚度 (2 mm、5 mm和10 mm) 下的模型網(wǎng)板的升/阻力系數(shù)及流場(chǎng)分布。樸倉(cāng)斗等[5]選用板面厚度為2 mm及2.5 mm的不銹鋼材料模型開(kāi)展水槽試驗(yàn),對(duì)比5種不同彎曲度立式曲面網(wǎng)板的水動(dòng)力性能。山崎慎太郎等[6]選用尺度比為1∶4的模型開(kāi)展水槽模型試驗(yàn)分析比較矩形V型曲面網(wǎng)板與矩形平面網(wǎng)板的水動(dòng)力性能。Chu等[7]利用水槽模型試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬研究沖角、展弦比、板面折角等不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)立式曲面V型網(wǎng)板水動(dòng)力性能的影響。Xu等[8]通過(guò)水槽試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬研究矩形V型網(wǎng)板的水動(dòng)力性能。Takahashi等[9]對(duì)立式雙翼開(kāi)縫網(wǎng)板開(kāi)展水槽模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析,研究其在不同沖角下的水動(dòng)力性能。You等[10]采用尺度比為1∶10的雙翼型超升降拖網(wǎng)網(wǎng)板模型開(kāi)展一系列水槽試驗(yàn),研究其在大沖角下的水動(dòng)力性能;此后其通過(guò)水槽試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬,研究了最大相對(duì)彎度為15%、展弦比分別為0.5、1.0、1.5和2.0的曲面網(wǎng)板在翼尖堵塞和不堵塞情況下的水動(dòng)力性能[11]。

結(jié)合學(xué)者的前期試驗(yàn)研究結(jié)論發(fā)現(xiàn),拖網(wǎng)網(wǎng)板的水動(dòng)力模型試驗(yàn)結(jié)果常因尺度效應(yīng)等各種因素出現(xiàn)不同程度的試驗(yàn)誤差。除人為誤差、量具誤差等不可避免的誤差因素外,尺度比、加工材料等各種試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)的變化,均可能引起試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)不同程度的偏差。

為系統(tǒng)地分析拖網(wǎng)網(wǎng)板水槽模型試驗(yàn)過(guò)程中,模型參數(shù)對(duì)水動(dòng)力性能測(cè)試結(jié)果的影響,本研究選取立式V型曲面網(wǎng)板為研究對(duì)象,基于水槽模型試驗(yàn)結(jié)合CFD方法,探究模型尺度比、板面厚度及加工材料對(duì)其水動(dòng)力性能試驗(yàn)的影響規(guī)律,旨在為拖網(wǎng)網(wǎng)板水動(dòng)力模型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開(kāi)展提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)研究方法

1.1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

立式V型曲面網(wǎng)板模型制作如圖1所示。

本研究選取立式V型曲面網(wǎng)板為研究對(duì)象,具體結(jié)構(gòu)形式如圖1a所示,其上設(shè)置開(kāi)縫結(jié)構(gòu),可以達(dá)到改善背部流態(tài)、減少阻力的作用,從而提高網(wǎng)板的水動(dòng)力性能[12-14]。

為確保該網(wǎng)板水槽模型試驗(yàn)的有效開(kāi)展,在綜合考慮水槽試驗(yàn)區(qū)域流場(chǎng)尺寸及測(cè)力設(shè)備有效量程的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)加工長(zhǎng)度比尺為14∶1的網(wǎng)板水動(dòng)力試驗(yàn)縮比模型,如圖1b所示,模型網(wǎng)板翼展長(zhǎng)為l=380.86 mm,翼弦長(zhǎng)為b=133.98 mm,板面折角為d(dihedral angle)=168°,展弦比為λ=2.9。由于該網(wǎng)板的板面形狀為曲面,同時(shí)還有多條弧形加強(qiáng)筋,為保證模型加工精度及從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮,本研究在大量前期調(diào)研基礎(chǔ)上,選用3D打印技術(shù)加工該網(wǎng)板的試驗(yàn)縮比模型,模型選用ABS材料。此外,由于本模型長(zhǎng)度比尺較大,網(wǎng)板板面厚度在等比縮小后將極其薄弱,考慮到試驗(yàn)過(guò)程中模型的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性,將模型板面厚度增加至4 mm,而這一模型結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施對(duì)水動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果的影響,將在本研究中進(jìn)行分析。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次網(wǎng)板水動(dòng)力性能試驗(yàn)于2021年11月在上海海洋大學(xué)國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心動(dòng)水槽中進(jìn)行,試驗(yàn)段長(zhǎng)15.0 m,寬3.3 m,深2.3 m,最高水深 2.0 m,流速0～1.5 m/s連續(xù)可調(diào)。配備水槽流速檢測(cè)儀器與六分力傳感器(范圍0～500 N,準(zhǔn)確度0.1%)。

模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖2a所示。網(wǎng)板固定在六分力傳感器末端,由長(zhǎng)度為0.5 m的金屬桿連接,距水槽入口4.2 m。試驗(yàn)水深0.63 m,水溫T=23.4 ℃,水密度為 998.23 kg/m3。試驗(yàn)過(guò)程如圖2b所示。

圖2 立式V型曲面網(wǎng)板水槽模型試驗(yàn)

定義動(dòng)水槽水流方向?yàn)閤軸正向,豎直向上方向?yàn)閦軸正向。試驗(yàn)過(guò)程中將流速依次設(shè)置為0.6 m/s、0.7 m/s、0.8 m/s、0.9 m/s、1.0 m/s,分別測(cè)得模型網(wǎng)板在不同沖角(α=0°～70°)下X、Y、Z三個(gè)方向的受力情況。

1.2 數(shù)值研究方法

1.2.1 技術(shù)思路

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募庸ば枰馁M(fèi)大量時(shí)間成本與經(jīng)濟(jì)成本,考慮到本研究?jī)?nèi)容中,涉及大量不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?而每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變都需要生成一個(gè)新的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?因此,從研究的經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā),同時(shí)在保證計(jì)算結(jié)果有效性與滿(mǎn)足精度要求的前提下,本研究采用數(shù)值模擬與水槽試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法。在上述試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,首先基于CFD方法建立與水槽模型試驗(yàn)相同尺度和工作條件的數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算分析,并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與水槽模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證數(shù)值模型的有效性。在此基礎(chǔ)上,模型尺度比、板面厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變均通過(guò)建立不同的數(shù)值計(jì)算模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2.2 網(wǎng)板水動(dòng)力性能數(shù)值計(jì)算模型

采用CFD軟件 ANSYS Fluent 建立網(wǎng)板水動(dòng)力性能數(shù)值計(jì)算模型(圖3)。流場(chǎng)區(qū)域長(zhǎng)X=2 740 mm(7l)、寬Z=1 762 mm(4.5l)、高Y=1 174 mm(3l),網(wǎng)板前緣距水流入口距離為2l[15]。流場(chǎng)采用四面體網(wǎng)格(非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格)進(jìn)行計(jì)算。模擬計(jì)算使用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散,求解方法為 SIMPLE 算法,湍流模型采用RNG k-ε模型,可在考慮湍流漩渦的同時(shí)有效改善不同雷諾數(shù)下的計(jì)算精度[16-20]。

圖3 計(jì)算區(qū)域設(shè)置

模型邊界條件設(shè)置如圖4a所示。上游入口處設(shè)定為速度入口邊界(velocity inlet),方向沿X軸正向,流速為0.9 m/s,湍流強(qiáng)度設(shè)定為5%,湍流強(qiáng)度比設(shè)定為3,湍流粘度比為10。下游出口設(shè)定為完全發(fā)展自由出流邊界(pressure outlet),網(wǎng)板結(jié)構(gòu)表面及計(jì)算域邊界設(shè)定為不可滑移壁面(no slip wall)。為提高計(jì)算精度,網(wǎng)板邊界處網(wǎng)格設(shè)置沿網(wǎng)板表面膨脹 3層,增長(zhǎng)率為1.2,壁面函數(shù)選擇適合高雷諾數(shù)流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),如圖4b所示。

圖4 流場(chǎng)邊界條件設(shè)置及網(wǎng)板表面邊界處理

1.2.3 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

本研究對(duì)同一工況采用不同網(wǎng)格數(shù)量的模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試結(jié)果

從數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差可以看出,計(jì)算精度會(huì)隨網(wǎng)格密度增加逐漸提高。當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)小于700萬(wàn)時(shí),計(jì)算結(jié)果無(wú)法收斂;當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)超過(guò)1 100萬(wàn),流體力學(xué)指標(biāo)趨于穩(wěn)定,y+值在30左右。基于此,本研究選用模型D開(kāi)展立式V型曲面網(wǎng)板水動(dòng)力性能計(jì)算,在網(wǎng)格設(shè)置中將第一層網(wǎng)格厚度設(shè)置為4.2×10-4m(y+≈15),計(jì)算區(qū)域的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為1.13×107和2.07×106,網(wǎng)格尺寸最小值為7.46×10-2mm,最大值為26.785 mm。

1.2.4 網(wǎng)板結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算模型

為在數(shù)值計(jì)算模型中系統(tǒng)地還原水槽模型試驗(yàn)中的工況,從而進(jìn)一步分析模型參數(shù)的變化對(duì)網(wǎng)板水動(dòng)力試驗(yàn)的影響機(jī)理,本研究基于流固耦合模型,綜合考慮網(wǎng)板在水動(dòng)力模型試驗(yàn)中的受力情況(水動(dòng)力、連接桿的約束力),同時(shí)計(jì)及模型材料建立網(wǎng)板結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算模型如圖5所示。

由于網(wǎng)板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,將總體網(wǎng)格控制尺寸及關(guān)鍵受力部位網(wǎng)格尺寸均定義為1 mm,網(wǎng)格尺寸緩慢過(guò)渡,節(jié)點(diǎn)數(shù)為813 850,單元數(shù)為1 458 387。鋼材料密度為7.85×103kg/m3,泊松比為0.3,楊氏模量為2.1×105MPa;ABS材料密度為1.03×103kg/m3,泊松比為0.408 9,楊氏模量為1 628 MPa。網(wǎng)板與連接桿接觸處施加固定約束(Fixed Support),限制其自由度。

1.2.5 數(shù)值計(jì)算工況設(shè)置

為系統(tǒng)地研究模型尺度比、板面厚度以及加工材料等不同模型參數(shù)對(duì)立式V型曲面網(wǎng)板模型試驗(yàn)結(jié)果的影響機(jī)理,本研究設(shè)置了如下幾組對(duì)比計(jì)算工況。

1)改變模型尺度比,分別將原型網(wǎng)板按照尺度比8∶1、11∶1、14∶1、17∶1、20∶1進(jìn)行縮放,計(jì)算分析其在不同沖角(0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°)下的水動(dòng)力性能。

2)改變模型厚度,在相同尺度比(14∶1)下分別將模型網(wǎng)板板面厚度設(shè)置為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm,計(jì)算分析其在不同沖角(0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°)下的水動(dòng)力性能。

3)改變模型材料,對(duì)同一縮比模型(尺度比14∶1,板面厚度4 mm)分別采用金屬材料(鋼)與3D打印材料(ABS)進(jìn)行數(shù)值建模,計(jì)算分析其在模型試驗(yàn)工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

立式V型曲面網(wǎng)板水動(dòng)力性能系數(shù)主要為升力系數(shù)Cl,阻力系數(shù)Cd,升阻比K;主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為展弦比λ;主要試驗(yàn)參數(shù)為沖角α,雷諾數(shù)Re,具體定義如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:l為翼展(m);S為網(wǎng)板法向上的投影面積(m2);v為來(lái)流速度(m/s);ρ為流體密度(kg/m3);b為網(wǎng)板弦長(zhǎng)(m);μ為流體動(dòng)力粘度(kg/m·s);Fd為網(wǎng)板阻力(N);Fl為網(wǎng)板升力(N);Cl為升力系數(shù);Cd為阻力系數(shù)。其中,升力系數(shù)和阻力系數(shù)均為進(jìn)入自動(dòng)模型區(qū)后測(cè)量值的平均值。

對(duì)于網(wǎng)板的結(jié)構(gòu)響應(yīng)采用靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析方法,計(jì)算網(wǎng)板的變形、等效彈性應(yīng)變和等效應(yīng)力。式(6)為等效應(yīng)力與主應(yīng)力的關(guān)系;式(7)為等效應(yīng)變?chǔ)舉的計(jì)算公式。其中v′為有效泊松比。

(6)

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模型有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建立數(shù)值計(jì)算模型的有效性,本研究首先基于CFD方法建立與水槽模型試驗(yàn)相同尺度與工作條件的數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算分析,并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與水槽模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與水槽模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖6可知,數(shù)值模型計(jì)算得到的立式V型曲面網(wǎng)板的升/阻力系數(shù)隨沖角的變化趨勢(shì)與水槽模型試驗(yàn)一致,沖角在 0°～ 30°范圍內(nèi),升力系數(shù)隨著沖角增加而增大,最大升力系數(shù)對(duì)應(yīng)沖角為 30°;當(dāng)沖角大于30°時(shí),隨沖角的繼續(xù)增加升力系數(shù)逐漸減小;阻力系數(shù)則始終隨沖角的增加而增大。從升/阻力系數(shù)值來(lái)看,在小沖角(小于20°)時(shí),數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與水槽模型試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差很小,而隨沖角的進(jìn)一步增加,二者的相對(duì)誤差略有增大,這一現(xiàn)象的產(chǎn)生原因?qū)⒃诒狙芯亢罄m(xù)進(jìn)行分析。升力系數(shù)的誤差范圍在3.3%～20.3%,阻力系數(shù)誤差范圍在0.7%～23.9%,在誤差允許范圍內(nèi),數(shù)值計(jì)算結(jié)果有效性較高。

此外,基于不同流速下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到網(wǎng)板升/阻力系數(shù)與雷諾數(shù)及沖角的關(guān)系如圖7所示。

圖7 立式V型曲面網(wǎng)板不同沖角下的水動(dòng)力系數(shù)阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

可以看出,升力系數(shù)與阻力系數(shù)在各沖角下隨雷諾數(shù)變化均無(wú)顯著改變,由此可知本研究中設(shè)置的各項(xiàng)試驗(yàn)工況(流速、模型尺度)均在自動(dòng)模型區(qū)范圍內(nèi)。

2.2 模型尺度比對(duì)網(wǎng)板水動(dòng)力模型試驗(yàn)的影響

水槽試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中,縮比模型的尺度比選擇是首要及關(guān)鍵步驟,需要根據(jù)試驗(yàn)水槽尺寸、測(cè)量裝置量程、模型制作等多方面因素綜合考慮與設(shè)計(jì)。模型尺度太小會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)精度無(wú)法保證,而尺度太大時(shí),網(wǎng)板周?chē)鲌?chǎng)流態(tài)會(huì)容易受到水槽流場(chǎng)邊界效應(yīng)的影響而發(fā)生改變,進(jìn)而影響水動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果,此外,大尺度模型的加工成本也是試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題。

為深入研究模型尺度比對(duì)網(wǎng)板水動(dòng)力模型試驗(yàn)的影響規(guī)律,圖8給出了不同尺度比(8∶1、11∶1、14∶1、17∶1、20∶1)的立式V型曲面網(wǎng)板模型在相同流速(0.9 m/s)下的升/阻力系數(shù)對(duì)比及偏差。

圖8 模型尺度比對(duì)立式曲面V型網(wǎng)板水動(dòng)力性能的影響

從圖8a1、8a2中可以觀(guān)察到,模型尺度比對(duì)升力系數(shù)變化趨勢(shì)的影響并不顯著,僅小尺度模型的最大升力系數(shù)對(duì)應(yīng)沖角比大尺度模型略有增加;相較而言,模型尺度比對(duì)升力系數(shù)值影響更為顯著,特別是在小沖角(α<30°)時(shí),當(dāng)模型尺度比增至20∶1,由于模型尺度縮小過(guò)多,計(jì)算結(jié)果與其他尺度比模型出現(xiàn)明顯偏差,而當(dāng)模型尺度比小于17∶1時(shí),不同尺度比模型計(jì)算得到的升力系數(shù)值偏差不大(15%以下)。從圖8b1、b2中可以觀(guān)察到,相較于升力系數(shù),模型尺度比對(duì)阻力系數(shù)的影響更不顯著(偏差均小于12%),不同尺度比的模型阻力系數(shù)曲線(xiàn)與系數(shù)值均未有明顯偏差,僅在沖角為30°左右時(shí),最小尺度模型(尺度比20∶1)阻力系數(shù)差異較為顯著(偏差12%左右)。因此,在設(shè)計(jì)該網(wǎng)板水動(dòng)力模型試驗(yàn)時(shí),除考慮到模型加工成本外,應(yīng)盡可能減小模型尺度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果精度的影響,將其控制在17∶1以下。由于不同結(jié)構(gòu)型式的網(wǎng)板,水動(dòng)力性能隨結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律不同,因此本研究計(jì)算得到的尺度比范圍僅為參考值,具體尺度比尚需根據(jù)不同網(wǎng)板的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行具體計(jì)算。

為進(jìn)一步探究模型尺度比的改變對(duì)網(wǎng)板水動(dòng)力性能的影響機(jī)理,分析不同尺度比模型水動(dòng)力性能產(chǎn)生差異的具體原因,圖9給出了不同尺度比的網(wǎng)板模型在40°沖角時(shí)的網(wǎng)板中部截面附近流場(chǎng)分布情況。從圖9中可以觀(guān)察到,尺度比的改變對(duì)于網(wǎng)板附近流場(chǎng)分布的影響不顯著,不同尺度比的網(wǎng)板模型迎流面高壓區(qū)與背流面低壓區(qū)形狀相似、壓力值范圍接近,導(dǎo)致各尺度比模型升、阻力系數(shù)變化趨勢(shì)亦無(wú)明顯區(qū)別。當(dāng)模型尺度較小時(shí),網(wǎng)板背流面渦的尺度顯著減小,同時(shí)網(wǎng)板迎流面高壓區(qū)面積與背流面低壓區(qū)面積均較大尺度模型有所降低,導(dǎo)致網(wǎng)板升力系數(shù)相較大尺度模型而言顯著降低(如圖9所示)。

圖9 不同尺度比的網(wǎng)板模型中部截面附近流場(chǎng)分布(α=40°)

2.3 模型板面厚度對(duì)網(wǎng)板水動(dòng)力模型試驗(yàn)的影響

由于網(wǎng)板模型長(zhǎng)度比尺較大,實(shí)際網(wǎng)板板面厚度較小,因此在等比縮小后模型板面將變得極其薄弱,考慮到試驗(yàn)過(guò)程中模型的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性,需將模型板面厚度適當(dāng)增加。為研究這一模型結(jié)構(gòu)的改進(jìn)措施對(duì)水動(dòng)力性能產(chǎn)生的影響,圖10給出了不同板面厚度2 mm(不加厚)、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm的網(wǎng)板模型升、阻力系數(shù)對(duì)比情況。由圖10可知,網(wǎng)板模型板面厚度的改變對(duì)升、阻力系數(shù)的變化規(guī)律影響顯著,對(duì)升力系數(shù)的影響主要反映在大沖角(α>30°)時(shí),而對(duì)阻力系數(shù)的影響則主要反映在小沖角(α<30°)時(shí)。

板面加厚時(shí)最大升力系數(shù)對(duì)應(yīng)沖角略有減小,同時(shí)升力系數(shù)值在大沖角下隨板面厚度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì);當(dāng)板面厚度增加較小(≤4 mm)時(shí),對(duì)網(wǎng)板模型升力系數(shù)影響不顯著(偏差15%以下)。在設(shè)計(jì)網(wǎng)板水槽試驗(yàn)縮比模型時(shí),需綜合考慮模型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及厚度增加對(duì)水動(dòng)力性能系數(shù)的影響,適當(dāng)增加網(wǎng)板模型板面厚度(板面增厚不超過(guò)2倍),這一厚度增加范圍同樣需根據(jù)不同網(wǎng)板的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行具體計(jì)算。

為進(jìn)一步探究網(wǎng)板模型板面厚度的改變對(duì)其水動(dòng)力性能的影響機(jī)理,分析不同板面厚度的模型水動(dòng)力性能產(chǎn)生差異的具體原因,圖11給出了不同板面厚度的網(wǎng)板模型在30°沖角時(shí)的網(wǎng)板中部截面附近流場(chǎng)分布情況。

圖11 不同板面厚度網(wǎng)板模型中部截面附近流場(chǎng)分布(α=30°)

從圖11中可以觀(guān)察到,板面厚度的變化并未引起網(wǎng)板模型迎流面高壓區(qū)與背流面低壓區(qū)形狀的改變,但隨著模型板面厚度的增加,網(wǎng)板迎流面高壓區(qū)面積顯著減小,而低壓區(qū)面積變化不明顯,從而導(dǎo)致了網(wǎng)板升力系數(shù)隨板面厚度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì);板面厚度小于4 mm時(shí),網(wǎng)板迎流面高壓區(qū)面積與板面不加厚(2 mm)時(shí)基本一致,此時(shí)升力系數(shù)沒(méi)有顯著變化,而當(dāng)板面厚度顯著增加(大于5 mm),網(wǎng)板迎流面高壓區(qū)面積的大幅度減小導(dǎo)致了升力系數(shù)的顯著降低,這一規(guī)律與圖10a1、圖10a2完全一致。

2.4 模型材料對(duì)網(wǎng)板水動(dòng)力模型試驗(yàn)的影響分析

從圖6的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與水槽模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比中發(fā)現(xiàn),二者的偏差并非在各個(gè)沖角下保持一致,而是會(huì)隨沖角的增加逐漸增大。通過(guò)水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值計(jì)算模型的對(duì)比發(fā)現(xiàn),由于水槽試驗(yàn)中采用的縮比模型選用ABS材料進(jìn)行加工,該種材料剛性相對(duì)較弱,因此在試驗(yàn)過(guò)程中模型可能會(huì)隨水動(dòng)力的增加產(chǎn)生一定的局部位移與變形,而數(shù)值計(jì)算模型中將網(wǎng)板材質(zhì)設(shè)置為剛性[21-22],即控制模型在水中不產(chǎn)生位移與變形。由此推測(cè)這一模型局部位移與變形是產(chǎn)生數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果偏差的主要原因。為驗(yàn)證這一推斷,圖12給出了基于流固耦合模型計(jì)算得到的兩種不同材質(zhì)(結(jié)構(gòu)鋼與ABS)的網(wǎng)板模型在水動(dòng)力試驗(yàn)過(guò)程中相同工況下的變形情況,同時(shí)為便于比較分析,還給出了進(jìn)行板面加厚(4 mm)之后的ABS材料網(wǎng)板模型的變形情況。

圖12 不同材質(zhì)網(wǎng)板模型變形情況

從圖12中可以明顯地觀(guān)察到,由于試驗(yàn)過(guò)程中網(wǎng)板上端通過(guò)連接桿固定,下端自由,網(wǎng)板底端會(huì)產(chǎn)生一定的變形;在相同的試驗(yàn)工況下,ABS材料的網(wǎng)板模型變形較結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)的網(wǎng)板明顯較大,進(jìn)而導(dǎo)致二者水動(dòng)力系數(shù)的顯著差異。此外,當(dāng)ABS材料的網(wǎng)板模型板面厚度增加,會(huì)在一定程度上提高模型的剛性,因此在相同工況下,其結(jié)構(gòu)變形較未加厚的ABS材料網(wǎng)板模型顯著減小,由此可以推斷,在開(kāi)展網(wǎng)板水槽模型試驗(yàn)時(shí),板面厚度的適當(dāng)增加,可以在一定程度上減小由于模型底部變形引起的試驗(yàn)誤差。

圖13進(jìn)一步給出了不同材質(zhì)的網(wǎng)板模型最大變形隨沖角的變化情況,

圖13 不同材質(zhì)網(wǎng)板模型最大變形隨沖角變化情況

從圖13中可以清楚地觀(guān)察到,相同板面厚度的ABS材料模型在各沖角下的變形均顯著大于結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)的網(wǎng)板模型,同時(shí),隨沖角的增加,二者的差距顯著增大,由于網(wǎng)板底端的變形是在水動(dòng)力作用下產(chǎn)生,由此就解釋了數(shù)值計(jì)算結(jié)果與水槽模型試驗(yàn)結(jié)果的偏差隨沖角的增加逐漸增大這一現(xiàn)象。同時(shí)也可以進(jìn)一步看出,板面厚度增加后,ABS材質(zhì)的網(wǎng)板模型在各沖角下的變形均顯著減小,雖然較結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)的網(wǎng)板仍有偏差,但可在一定程度上降低結(jié)構(gòu)變形引起的試驗(yàn)誤差。結(jié)合2.3節(jié)中板面厚度對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果的影響分析可知,板面厚度在試驗(yàn)過(guò)程中不能大幅度增加,否則會(huì)從另一個(gè)方面影響試驗(yàn)結(jié)果的精度,因此在設(shè)計(jì)網(wǎng)板模型的板面厚度時(shí),需要結(jié)合材料的剛性及對(duì)水動(dòng)力性能的影響兩方面進(jìn)行綜合考慮。

3 討論

3.1 模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果偏差

將網(wǎng)板數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與水槽模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明升、阻力系數(shù)變化趨勢(shì)吻合較好,最大升力系數(shù)出現(xiàn)在30°左右,阻力系數(shù)呈上升趨勢(shì)(圖6),這與Chu等[7]研究結(jié)果一致。升力系數(shù)的偏差范圍在3.3%～20.3%,阻力系數(shù)偏差范圍在0.7%～23.9%。分析偏差產(chǎn)生原因主要有如下3點(diǎn):一是數(shù)值模擬中模型網(wǎng)板表面光滑,因此計(jì)算過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力,由此導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算阻力偏小;二是在數(shù)值模型中流場(chǎng)內(nèi)只有網(wǎng)板,而沒(méi)有水槽試驗(yàn)中用于連接模型網(wǎng)板與六分力傳感器的連接桿,而在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的阻力為連接桿與網(wǎng)板所受阻力的合力,這是導(dǎo)致阻力計(jì)算值較試驗(yàn)結(jié)果偏小的另一原因;三是水槽模型試驗(yàn)過(guò)程中由于試驗(yàn)環(huán)境限制極其易產(chǎn)生水流不穩(wěn)定與模型結(jié)構(gòu)振動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在誤差。

此外,數(shù)值模型建立過(guò)程中,網(wǎng)格精度控制與參數(shù)設(shè)置均會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生重要影響。分析數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果偏差的主要原因有:一是模型簡(jiǎn)化與初始條件設(shè)置與實(shí)際試驗(yàn)工況不完全相同的建模誤差;二是數(shù)值算法本身對(duì)數(shù)學(xué)模型與定義域的離散誤差;三是包括舍入誤差和迭代誤差的計(jì)算誤差[23-29]。其中建模誤差為主要誤差原因,在尺度效應(yīng)、板面厚度和模型材料等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響中均有體現(xiàn),前文所討論的忽略網(wǎng)板摩擦阻力與連接桿阻力的誤差也屬于建模誤差。離散誤差與計(jì)算誤差對(duì)結(jié)果偏差的影響程度有限,主要受到網(wǎng)格類(lèi)型、網(wǎng)格尺度以及邊界條件等的影響。Xu 等[8]對(duì)比了4種不同網(wǎng)格密度下網(wǎng)板升/阻力的差異,結(jié)果顯示網(wǎng)格數(shù)量從9.3×105增至2.3×106,計(jì)算精度略有提高。左玲玉等[23]對(duì)比分析了3種結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與3種非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在不同沖角下升/阻力系數(shù)差異,結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型的離散誤差小,且細(xì)網(wǎng)格模型具有更好的網(wǎng)格收斂性。由此分析,本研究中采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可能也是導(dǎo)致誤差較為明顯的原因之一。

有學(xué)者[30-33]研究表明,CFD數(shù)值模擬中,在考慮湍流模型封閉系數(shù)認(rèn)知不確定性和來(lái)流條件隨機(jī)不確定性的情況下,通過(guò)融合混合不確定性量化、全局靈敏度分析,并根據(jù)似然樣本策略對(duì)關(guān)鍵系數(shù)加以修正,可以有效修正CFD模型,減小模擬誤差。但目前仍未有學(xué)者研究CFD模型修正方法在網(wǎng)板數(shù)值模擬中的應(yīng)用。今后可引入該類(lèi)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)減小網(wǎng)板數(shù)值模擬結(jié)果的誤差,以便更準(zhǔn)確地計(jì)算網(wǎng)板水動(dòng)力性能。

3.2 網(wǎng)板周?chē)鲌?chǎng)可視化

探究網(wǎng)板周?chē)鲌?chǎng)流態(tài)對(duì)于分析網(wǎng)板模型試驗(yàn)中水動(dòng)力性能變化規(guī)律至關(guān)重要,也是解釋模型參數(shù)對(duì)網(wǎng)板水動(dòng)力模型試驗(yàn)影響機(jī)理的有力依據(jù)。目前實(shí)現(xiàn)網(wǎng)板周?chē)鲌?chǎng)可視化的方法主要有3種:線(xiàn)條法、氣泡法和CFD數(shù)值模擬法[2]。相比于線(xiàn)條法與氣泡法耗時(shí)長(zhǎng)且只能定性觀(guān)測(cè)分析網(wǎng)板周?chē)鲬B(tài)變化的缺陷,CFD數(shù)值模擬技術(shù)具有高效、低成本、精確性好等優(yōu)點(diǎn)[3]。劉景彬等[4]、Xu等[8]先后采用CFD數(shù)值模擬對(duì)網(wǎng)板周?chē)鲌?chǎng)進(jìn)行了可視化分析。

本研究基于CFD方法分別對(duì)不同尺度比與不同板面厚度的立式V型曲面網(wǎng)板流場(chǎng)進(jìn)行了可視化處理,發(fā)現(xiàn)渦的尺度、網(wǎng)板迎流面高壓區(qū)面積與背流面低壓區(qū)面的變化均會(huì)對(duì)網(wǎng)板水動(dòng)力性能產(chǎn)生顯著影響:隨著模型尺度比的減小,網(wǎng)板背流面渦的尺度、迎流面高壓區(qū)面積與背流面低壓區(qū)面積均有所降低,進(jìn)而導(dǎo)致小尺度比網(wǎng)板的升力系數(shù)小于大尺度網(wǎng)板。這種趨勢(shì)與劉景彬等[4]發(fā)現(xiàn)的升/阻力系數(shù)隨分離渦的增大而增大的結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

本研究以南極磷蝦拖網(wǎng)作業(yè)時(shí)常用的立式V型曲面網(wǎng)板為研究對(duì)象,采用水槽模型試驗(yàn)與數(shù)值模型計(jì)算相結(jié)合的方法,探究模型尺度比、板面厚度及模型材料對(duì)其水動(dòng)力性能試驗(yàn)的影響規(guī)律,得出的主要結(jié)論如下:

(1)模型尺度比的改變對(duì)網(wǎng)板升力系數(shù)與阻力系數(shù)曲線(xiàn)形狀改變均不顯著,其主要對(duì)網(wǎng)板升力系數(shù)值產(chǎn)生較大影響,當(dāng)模型尺度縮小過(guò)多(20∶1),升力系數(shù)在小沖角(α<30°)時(shí)偏差明顯。設(shè)計(jì)網(wǎng)板水動(dòng)力模型試驗(yàn)時(shí),在綜合考慮水槽試驗(yàn)區(qū)域流場(chǎng)尺寸、測(cè)力設(shè)備有效量程及模型加工成本的基礎(chǔ)上,應(yīng)使得模型尺度盡可能大,減小模型尺度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果精度的影響。

(2)模型板面厚度的改變對(duì)網(wǎng)板升、阻力系數(shù)均會(huì)產(chǎn)生顯著影響,對(duì)升力系數(shù)的影響主要反映在大沖角(α>30°)時(shí),而對(duì)阻力系數(shù)的影響則主要反映在小沖角(α<30°)時(shí)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí),為提高模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可適當(dāng)增加板面厚度,但增厚范圍需不超過(guò)2倍(不同結(jié)構(gòu)型式網(wǎng)板試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶迕嬖龊穹秶蓞⒖即朔秶唧w計(jì)算后確定),因?yàn)榇蠓鹊暮穸仍黾訉?huì)引起升力系數(shù)值在大沖角下的顯著降低。

(3)非金屬材料由于剛性不足會(huì)在水槽模型試驗(yàn)過(guò)程中容易因受力后產(chǎn)生一定的位移與變形而引起試驗(yàn)結(jié)果的偏差?？刹扇≡黾幽Ｐ桶迕婧穸鹊姆绞綔p小此偏差,但具體增厚范圍需結(jié)合結(jié)構(gòu)的剛性及對(duì)水動(dòng)力性能的影響綜合考慮。