V型网板结构优化及稳定特性研究

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拖网是一种依靠渔船拖曳的过滤性渔具,将目标渔获物拖捕入网,实现瞄准捕捞的目的作业方式。拖网系统是由拖网及其属具组成,其中,网板是拖网系统中重要的渔具构件,主要作用有增加网口水平扩张及驱赶鱼群入网。网板在拖网作业过程中产生的阻力约占拖网系统阻力的30%,无形之中增加了拖网作业的经济成本。发展高效、低碳、节能型渔具渔法是新时代下渔具发展优化的方向。网板研究的主要内容有网板水动力特性、流场特性及结构优化三方面。为了改善网板作业性能适应当今渔具发展方向,本研究立足于网板水动力特性和流场特性研究,对V型网板结构参数进行优化。网板研究的主要方法有海上实测、模型试验和(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟等,但在运用试验方法优化网板性能之前,1)模型试验和模拟试验构建网板模型时,如何选取适当的网板尺度?2)数值模拟时,模拟条件对模拟结果的影响效果如何?3)不同的工作姿态对网板的水动力性能及稳定性影响如何?这是网板性能优化需要明确并且亟待解决的一些主要问题。为此,本文采用CFD数值模拟和水槽模型试验的方法,分析了不同尺度比、模型厚度、展弦比、板面夹角和倾斜状态对V型网板水动力性能影响变化,对比了两种研究方法的试验结果,评估了模拟条件对模拟精度的影响效果,并采用线条法和Fluent法分别实现了网板不同姿态、尺度、结构参数下周围流场分布的可视化。主要结果如下:(1)水槽试验得到V型网板展弦比0.5,板面夹角10°时,在雷诺数为2.1×10~5~4.2×10~5间,阻力系数Cd随冲角增大而增大,升力系数CL随着冲角增加先增加后减小。随着雷诺数的增加,阻力系数和升力系数基本保持不变,即处于自动模型区。在遵循雷诺准则的前提下,采用RANS湍流模型中的Realizable k-ε湍流模型进行数值模拟对不同尺度比、厚度的V型网板进行水动力性能数值计算。对比分析模拟计算得到的三种尺度比网板的最大升、阻力系数和模型试验结果,发现随着模型尺度的增大,最大升力系数的误差逐渐减小,分别为12.62%(1:4)、6.03%(1:3)、1.13%(1:2);最大阻力系数的误差逐渐增小,分别为15.07%(1:4)、7.99%(1:3)、1.48%(1:2)。不同厚度网板模型之间的水动力系数数值差异较小,不足2.6%。发现5 mm厚的模型最大升力系数的误差最小(3.39%),2mm厚的模型最大升力系数的误差最大(6.03%);10 mm厚的模型最大阻力系数的误差最小(7.24%),5 mm厚的模型最大阻力系数的误差最大(8.37%)。(2)采用不同的模拟条件包括(网格数量、膨胀层厚度、网格类型、进出口比例)对展弦比为0.5,板面夹角为10°,尺度比为1:4的V型网板进行模拟计算,并与模型试验结果对比。改变模拟条件对模拟计算结果有一定程度的影响。发现4×10~6网格数量为该型网板的最佳网格密度,其模型的最大升力系数与最大阻力系数均最小,分别为4.89%和9.87%;0.088 mm厚的模型最大升力系数的误差最小(4.19%),0.099 mm厚的模型最大升力系数的误差最大(5.6%);0.099 mm厚的模型最大阻力系数的误差最小(10.11%),0.11 mm厚的模型最大阻力系数的误差最大(10.5%);四面体网格的模型最大升力系数误差与最大阻力系数误差最小,分别为5.6%和10.11%;1:2比例的模型最大升力系数的误差最小(5.6%),2:1比例的模型最大升力系数的误差最大(9.51%);1:2比例的模型最大阻力系数的误差最小(10.11%),2:3比例的模型最大阻力系数的误差最大(14.25%)。(3)V型网板展弦比为0.4、0.5、0.6、0.7,板面夹角为16°时,升力系数随着冲角的增加,先增加后减小。临界冲角在37.5°~42.5°之间,最佳工作冲角随着展弦比的增加而减小。最大升力系数分别为1.26、1.28、1.32和1.48;不同展弦比的升力系数随冲角变化趋势相同。板面夹角为16°、19°、22°、25°,展弦比为0.4时,升力系数随着冲角的增加,先增加后减小。临界冲角均在40°左右。最大升力系数分别为1.26、1.21、1.19、1.18;不同板面夹角升力系数随冲角变化趋势一致。展弦比λ=0.7、板面夹角Γ=16°的V型网板(13号网板)的水动力性能最优,升力系数在冲角为37.5°时最大,为1.482,冲角为10°时扩张效率最大。随着冲角的增大,13号网板迎流面的压力逐渐增大,网板迎流面和背流面的速度差亦呈增大趋势。(4)13号网板发生不同程度的前后倾或内外倾时,升力系数降低,阻力系数则随着倾角的增大而减小。当网板发生内外倾斜时,迎流面压力中心随着倾角的增加向网板前端移动,网板中心面后分离涡变化不明显;当网板前后倾斜时,网板迎流面压力分布随着倾角的增加变化明显,压力中心分别逐渐向前端上下两侧移动,并且网板中心面后涡旋逐渐变小。当冲角增加至35°左右时,网板后方上下两侧一般会出现2个大小不同的分离涡,下侧的分离涡与网板的相对位置相距较远。模型试验结果表明,下侧分离涡与网板距离是上侧分离涡距离的1.7倍左右。分离涡与网板的相对位置受到网板的尺度、网板的结构状态以及网板姿态影响。当网板发生内、外倾斜时,网板后方分离涡数量减少为1个(内倾时在下侧,外倾时在上侧),分离涡与网板的相对距离受网板倾斜程度的影响。
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