王 磊，王魯民，馮春雷，張 勛，周愛忠，張 禹，劉永利，齊廣瑞

（中國水產(chǎn)科學研究院東海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部遠洋與極地漁業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，上海 200090）

基于導流板形狀變化的雙開縫曲面網(wǎng)板水動力性能研究

王 磊，王魯民，馮春雷，張 勛，周愛忠，張 禹，劉永利，齊廣瑞

（中國水產(chǎn)科學研究院東海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部遠洋與極地漁業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，上海 200090）

開展風洞試驗研究導流板形狀變化對雙開縫曲面網(wǎng)板水動力性能的影響，以優(yōu)化網(wǎng)板導流板結構，提高雙開縫曲面網(wǎng)板的水動力性能。試驗設計4種導流板形狀的網(wǎng)板模型，分別為矩形、扇形、凸梯形和凹梯形，4塊網(wǎng)板模型的基本結構參數(shù)相同，展弦比2.5，葉板的曲率12%，雙層導流板的預設角度30°和25°，主面板角度12°，試驗風速28 m·s－1，沖角（α）范圍0°～70°，模型安裝于塔式六分量機械－應變天平的立柱上，分別對網(wǎng)板所受到的阻力、升力和力矩進行測量。結果顯示：在網(wǎng)板升力系數(shù)方面，4塊網(wǎng)板模型的最大升力系數(shù)為Cy（凸梯形）＞Cy（矩形）＞Cy（扇形）＞Cy（凹梯形），具有凸梯形結構的網(wǎng)板模型的最大升力系數(shù)較高，為1.946（α＝47.5°）；在網(wǎng)板阻力系數(shù)方面，在沖角為 30°時，Cx（扇形）＞Cx（矩形）＞Cx（凹梯形）＞Cx（凸梯形），具有凸梯形結構的網(wǎng)板模型阻力系數(shù)較低；4塊網(wǎng)板模型的最大升阻比關系為Cy／Cx（凸梯形）＞Cy／Cx（矩形）＞Cy／Cx（扇形）＞Cy／Cx（凹梯形），具有凸梯形結構的網(wǎng)板模型最大升阻比較高，為 7.486（α＝30°）；在穩(wěn)性對比方面，扇形導流板結構網(wǎng)板模型穩(wěn)性較好，Cm絕對值與Cp變異系數(shù)分別為0.061和5.43%。試驗表明，具有凸梯形導流板的雙開縫曲面網(wǎng)板可以產(chǎn)生較大的升力，且阻力較小，具有良好的工作效果；具有扇形導流板的雙開縫曲面網(wǎng)板穩(wěn)性較高。試驗結果可為拖網(wǎng)網(wǎng)板的結構優(yōu)化設計提供參考。

網(wǎng)板；風洞試驗；水動力性能；導流板

網(wǎng)板是拖網(wǎng)的重要屬具，連接于拖網(wǎng)網(wǎng)口兩側，在拖曳前行時靠水流產(chǎn)生水平作用力擴張網(wǎng)口。配備水動力性能優(yōu)良的網(wǎng)板可以提高捕撈生產(chǎn)效率，達到增產(chǎn)降耗的目的。通過調(diào)整網(wǎng)板的型式與結構參數(shù)以優(yōu)化其水動力性能是目前漁業(yè)裝備的一個研究方向，國外如日本、澳大利亞等漁業(yè)發(fā)達國家針對網(wǎng)板水動力性能均開展過研究，如福田賢吾等［1－2］對不同展弦比的立式曲面網(wǎng)板的水動力特性進行研究，并通過改變前后翼間隔和交錯角，對雙翼型網(wǎng)板的水動力性能進行了研究；松田皎等［3］對展弦比1.67、彎曲度14.1%、上反角 12°、后退角15°的立式 V型曲面網(wǎng)板水動力特性進行了研究；樸倉斗等［4］對不同展弦比的矩形網(wǎng)板水動力性能進行了研究；BROADHURST等［5］開展了網(wǎng)板在拖網(wǎng)中的應用性能對比研究；SALA等［6］對特性結構網(wǎng)板開展了模型與海上實物網(wǎng)板的試驗對比。中國自20世紀80年代起，科研人員也進行了網(wǎng)板水動力性能的相關研究，如張勛等［7］、王錦浩等［8］分別對V型曲面網(wǎng)板水動力性能開展試驗，分析網(wǎng)板不同結構參數(shù)對其水動力性能的影響；王明彥等［9］考察了上反角、后退角和展弦比對立式V型曲面網(wǎng)板水動力性能的影響；徐寶生等［10］開展了矩形Ⅴ型曲面網(wǎng)板和Ⅴ型網(wǎng)板生產(chǎn)性對比試驗。目前的研究主要集中于網(wǎng)板不同型式結構水動力性能的差異，但在系列性優(yōu)化改進網(wǎng)板結構等方面尚需開展相關基礎研究［11－12］。進入21世紀后我國的近海與遠洋漁業(yè)發(fā)展更為迅速，目前仍有較多的作業(yè)漁船及漁具裝備較為落后，還停留在十幾年前的裝備水平，網(wǎng)板的型式結構較為簡單，需要進一步改進以提高其性能［13－14］。網(wǎng)板的性能優(yōu)化可以通過改變網(wǎng)板的結構，包括展弦比、開縫、V型板面折角、葉板曲率與角度等。例如，多翼型網(wǎng)板可提高網(wǎng)板穩(wěn)性［15］；立式V型曲面等開縫網(wǎng)板可以更好的提升網(wǎng)板的擴張性能［7－9］；橢圓型開縫網(wǎng)板相比矩形平面網(wǎng)板可以更好的適應劣質(zhì)海底作業(yè)［16－17］，調(diào)整網(wǎng)板的葉板形狀可以改善網(wǎng)板的水動力性能，導流板作為網(wǎng)板前緣的導流裝置，通過改變網(wǎng)板的流態(tài)以優(yōu)化網(wǎng)板的水動力性能［18－19］，導流板的形狀變化同樣會對流態(tài)產(chǎn)生影響，目前此類相關研究還比較少，本研究選取目前國內(nèi)外應用較多的雙開縫曲面網(wǎng)板結構設計模型并開展風洞試驗，通過變化網(wǎng)板導流板的形狀對比其水動力性能差異，篩選具有較優(yōu)水動力性能的導流板形狀結構，以期為網(wǎng)板整體性能的優(yōu)化研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 網(wǎng)板模型結構參數(shù)設計與制作

試驗網(wǎng)板模型為雙開縫矩形曲面網(wǎng)板，網(wǎng)板的葉板由雙層導流板和一層主面板組成。本試驗網(wǎng)板模型結構設計基于大展弦比中層拖網(wǎng)網(wǎng)板，網(wǎng)板面積一般在8～12 m2，試驗模型在基本結構參數(shù)一致的前提下簡化結構并等比例縮小，僅對導流板的葉片形狀進行變化。網(wǎng)板模型的結構及參數(shù)說明見圖1。

試驗用4塊網(wǎng)板模型的展弦比為2.5，網(wǎng)板模型投影面積均為0.160 m2，且各模型對應導流板及主面板的投影面積相同，其它具體參數(shù)見表1，對4塊網(wǎng)板模型分別編號為1、2、3、4。制成的網(wǎng)板模型實物材質(zhì)為鋼，表面涂漆（圖2）。

1.2 試驗設備

試驗風洞為南京航空航天大學NH-2風洞，該風洞為串置雙試驗段閉口回流風洞，本次試驗在小試驗段中進行，小試驗段主要技術性能為：6 m（長）×3 m（寬）×2.5 m（高），進口截面積為7.18 m2，最大風速可達到90 m·s－1，最小穩(wěn)定風速為5 m·s－1。

本次測力試驗采用塔式六分量機械－應變天平進行測量，試驗模型安裝示意圖見圖3。

試驗采用的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由前置放大器、4臺聯(lián)網(wǎng)計算機系統(tǒng)組成。

圖1 雙縫矩形曲面網(wǎng)板模型結構及對應參數(shù)Fig.1 Structure and parameters of double-slit rectangular cambered otter board model注：L：網(wǎng)板翼弦長；b：網(wǎng)板翼展長；e：模型支點中心到前緣距離；B1，B2：導流板；A：主面板；γ1，γ2：導流板的角度；β：主面板的角度Note：L：chord；b：span；e：distance from the leading edge to the center pivot；B1，B2：deflector；A：main-panel；γ1，γ2：angle of the deflector；β：angle of themain panel

表1 網(wǎng)板模型主尺度及結構參數(shù)說明Tab.1 Dimension and structure parameters of otter board models

圖2 4塊網(wǎng)板模型及設計正視圖Fig.2 Four otter board models and front view of design注：網(wǎng)板模型1、2、3、4結構參數(shù)見表1；B1，B2：導流板；A：主面板Note：The structure parameters of4 otter-board models are shown in Tab.1；B1，B2：deflector；A：main-panel

圖3 網(wǎng)板模型風洞試驗安裝示意圖Fig.3 Installation instruction of otter board model in w ind tunnel

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗模型相關參數(shù)定義

網(wǎng)板模型在風洞中的試驗安裝情況可見圖3。4塊網(wǎng)板模型按順序依次安裝到風洞中的六分量機械天平底座上，當風速達到28 m·s－1時（室溫為20℃），沖角由0°～70°進行轉(zhuǎn)動，其中在沖角0°～50°區(qū)間，每間隔 2.5°為一個測錄數(shù)據(jù)點，沖角50°過后，每間隔5°為測錄數(shù)據(jù)點，共計25組數(shù)據(jù)，包括阻力系數(shù)Cx、升力系數(shù)Cy、俯仰力矩系數(shù)Cm與壓力中心系數(shù)Cp。

試驗模型在風洞試驗段中相關參數(shù)定義如圖4所示。圖4中0點為力矩參考點，即模型底部的打孔處。在試驗過程中，模型的阻力由天平沿X軸方向的力提供，升力由天平沿Z軸方向的力提供，俯仰力矩由天平繞Z軸方向的My元提供。

圖4 試驗模型在風洞中相關參數(shù)定義示意圖Fig.4 Param eter definition diagram of testmodel in w ind tunnel注：FL：升力；FD：阻力；M：俯仰力矩；V：風速Note：FL：lift；FD：drag；M：pitch moment；V：wind speed

本期試驗風速取V＝28 m·s－1，此時雷諾數(shù)（粘性系數(shù)），處于網(wǎng)板模型試驗的自動模型區(qū)［7，20］。

1.3.2 試驗測量網(wǎng)板參數(shù)定義

三分力：升力FL、阻力FD、俯仰力矩M（繞支點），同時測出壓力中心點離網(wǎng)板前端距離d＝e－（M／N）［9］，（N為法向力）。

以上公式中空氣密度 ρ＝1.225 kg·m－3，S為網(wǎng)板投影面積（m2），L為網(wǎng)板翼弦長（m）。

所有試驗數(shù)據(jù)都進行了支架干擾修正，支架干擾修正采用直接扣除光支桿的方法來完成。

2 結果與分析

試驗獲得網(wǎng)板模型的阻力系數(shù)Cx、升力系數(shù)Cy、俯仰力矩系數(shù)Cm與壓力中心系數(shù)Cp。優(yōu)化網(wǎng)板的水動力性能主要是提高Cy，降低Cx并保證其穩(wěn)性，網(wǎng)板的穩(wěn)性可以通過網(wǎng)板的Cm與Cp來分析比較［21］。將Cy與Cx進行比值處理，獲得的數(shù)值Cy／Cx即為升阻比，也是判定網(wǎng)板水動力性能優(yōu)劣的重要因子［19］。為了清楚地分析4塊網(wǎng)板模型的水動力性能差異，將試驗數(shù)據(jù)分組并制成 Cx—α，Cy—α，C y／Cx—α曲線圖，見圖 5。

2.1 阻力系數(shù)與升力系數(shù)

圖5中Cx—α與Cy—α曲線圖分別表示了4塊網(wǎng)板模型的阻力系數(shù)Cx與升力系數(shù)Cy隨迎流沖角α的變化曲線。在沖角大于20°之后，Cx與α基本成正比關系，2號網(wǎng)板模型的Cx較高；同時2號網(wǎng)板模型的Cy在α角度35°之前較高，最大升力系數(shù)為 1.687（α＝35°），3號網(wǎng)板模型的最大升力系數(shù)最高，為 1.946（α＝47.5°）。分析表明具有凸梯形結構導流板的網(wǎng)板可產(chǎn)生較高的升力。

2.2 升阻比

圖5中 Cy／Cx—α曲線顯示在沖角 α＜22.5°時，1號與2號網(wǎng)板模型的升阻比Cy／Cx較高，最大升阻比分別為6.507（α＝22.5°）和6.328（α＝22.5°），3號網(wǎng)板模型具有較高的最大升阻比，為7.486（α＝30°）。分析表明，網(wǎng)板的導流板形狀為凸梯形可以獲得較高的升阻比。

2.3 穩(wěn)性分析

網(wǎng)板的穩(wěn)定性是指網(wǎng)板的動穩(wěn)定性，包括動力穩(wěn)定和靜力穩(wěn)定，主要是指網(wǎng)板在作業(yè)沖角前進時，不易產(chǎn)生側翻和傾倒，且在網(wǎng)板傾斜甚至傾倒的狀態(tài)下具有恢復工作狀態(tài)的能力［18－19］。網(wǎng)板穩(wěn)性的分析方法有多種，根據(jù)楊吝［17，22］譯作，可以通過俯仰力矩系數(shù)和壓力中心系數(shù)分析網(wǎng)板的穩(wěn)性。

圖5 網(wǎng)板模型各自C x，C y及 C y／C x與沖角的關系Fig.5 Changing curve grouping com parison of C x，C y and C y／C x along w ith the angle of attackαchanged for otter board models

俯仰力矩也稱縱向力矩，是指作用在網(wǎng)板模型的空氣動力對其重心所產(chǎn)生的力矩沿橫軸的分量，一般轉(zhuǎn)換為俯仰力矩系數(shù)Cm來分析比較。俯仰力矩可分為上俯仰力矩與下俯仰力矩，一般通過正負區(qū)分，圖中看出Cm值存在正負，其絕對值的大小表示了俯仰力矩的高低，一般俯仰力矩系數(shù)越趨于0時表示該網(wǎng)板的俯仰穩(wěn)性越優(yōu)，比較網(wǎng)板作業(yè)沖角對應的Cm絕對值即可判斷網(wǎng)板穩(wěn)性高低，這里可根據(jù)各網(wǎng)板模型最大升阻比Cy／Cx對應沖角α時的Cm絕對值來進行判斷，具體數(shù)據(jù)見表2，2號網(wǎng)板模型在最大升阻比Cy／Cx對應沖角α時的Cm絕對值最低，為0.061，穩(wěn)性較好。

表2 4塊網(wǎng)板模型最大升阻比對應沖角α時的C m絕對值Tab.2 Absolute value C m at the angle of attackαcorresponding themaximum lift-drag ratio of 4 otter board models

利用壓力中心系數(shù)來判斷網(wǎng)板穩(wěn)性一般是通過分析最大升阻比時沖角前后5°范圍之內(nèi)的Cp變異系數(shù)來比較，該系數(shù)越小，網(wǎng)板穩(wěn)性越好［22］。計算所得數(shù)據(jù)見表3，2號網(wǎng)板模型的Cp變異系數(shù)最低，為4.43%。

表3 4塊網(wǎng)板模型最大升阻比時沖角前后5°范圍C p變異系數(shù)Tab.3 Variable coefficient of C p at the range of 5°before and after the angle of attackα corresponding themaximum lift-drag ratio of 4 otter board m odels

通過上述兩種方法對4塊網(wǎng)板模型的穩(wěn)性進行比較分析，得出的結論均表明具有扇形導流板結構的網(wǎng)板具備較好的穩(wěn)性。

3 討論

網(wǎng)板模型風洞試驗是網(wǎng)板水動力性能研究的方法之一，影響網(wǎng)板水動力性能的試驗設計因素也較多，如展弦比、面板數(shù)量、縫口寬度、面板曲率、V型折角等［19－21］，常用的基礎研究方法是改變網(wǎng)板結構的1個結構參數(shù)設計試驗［1，7－8，23－24］，或改變多個參數(shù)開展試驗［2－4，9］，在確定結構參數(shù)時，可開展模型試驗測試驗證其性能［16－17，25－26］。開縫式網(wǎng)板的導流板可以通過導引水流，調(diào)整網(wǎng)板的水阻力和擴張力［18，27］，本試驗設計為單因素試驗，即通過改變導流板形狀來分析4塊網(wǎng)板模型的水動力性能差異，為網(wǎng)板型式結構的優(yōu)化提供參考。

3.1 網(wǎng)板的升力與阻力

網(wǎng)板的升力也即擴張力，來自于網(wǎng)板受迎流作用時在垂直來流方向上產(chǎn)生的分力，用于擴張拖網(wǎng)網(wǎng)口。試驗表明，4塊網(wǎng)板模型的最大升力系數(shù)為Cy（凸梯形）＞Cy（矩形）＞Cy（扇形）＞Cy（凹梯形），從導流板形狀分析來看，導流板面積分布越趨向中心，則產(chǎn)生的升力越大，樸倉斗等［4］在研究網(wǎng)板面板的后退角Λ中發(fā)現(xiàn)，后退角的適當增加可以提高網(wǎng)板的升力系數(shù)，其結果分析與葉板的面積分布有一定關系。目前實際應用的網(wǎng)板有較多采用此種結構的葉板結構，以提高網(wǎng)板材料的利用效率，獲得較高的網(wǎng)板擴張力。

網(wǎng)板的水阻力，即網(wǎng)板拖曳前行時受到的迎流向阻力，為便于對比，選取作業(yè)沖角α＝30°對應的4塊模型網(wǎng)板的Cx值進行對比，此沖角對應各模型網(wǎng)板的升阻比較高，可以作為理論作業(yè)沖角［19－20］。數(shù)據(jù)表明，Cx（扇形）＞Cx（矩形）＞Cx（凹梯形）＞Cx（凸梯形），具有凸梯形結構導流板的網(wǎng)板模型阻力系數(shù)最低，可見導流板后部凸梯形結構可以改善面板背部流態(tài)，使網(wǎng)板阻力降低［16］。

3.2 網(wǎng)板的升阻比與穩(wěn)性

網(wǎng)板的升阻比也可以稱為網(wǎng)板工作效率，具備良好工作效率的網(wǎng)板可以在降低網(wǎng)板阻力的同時提高網(wǎng)板擴張力。試驗表明，Cy／Cx（凸梯形）＞Cy／Cx（矩形）＞Cy／Cx（扇形）＞Cy／Cx（凹梯形），可見，凸梯形結構的導流板設計具有較高的升阻比，即合理增加導流板中心面積的分布可以改善網(wǎng)板背部流態(tài)，提高網(wǎng)板工作效率［4］。

網(wǎng)板的作業(yè)穩(wěn)定性也非常重要，在拖網(wǎng)拖曳過程中，網(wǎng)板在工作沖角時不會前后左右晃動以保證網(wǎng)板的工作效率［13］。本文采用2種方法分析4塊網(wǎng)板模型的穩(wěn)性，結論表明具有圓弧導流板結構網(wǎng)板模型的穩(wěn)性較優(yōu)，對比矩形結構網(wǎng)板，圓形葉板的網(wǎng)板更適宜在高低不平的海底拖曳［11］。

4 小結

本試驗研究得出，具有凸梯形導流板結構的雙開縫曲面網(wǎng)板具有較高的升力系數(shù)，同時具有較大的升阻比，該形狀導流板設計可以改良雙開縫曲面網(wǎng)板的水動力性能。試驗結果也表明具有扇形形狀導流板的網(wǎng)板穩(wěn)性較好，說明導流板的后部采用平滑的扇面弧形結構可以適當提高雙開縫曲面網(wǎng)板的整體穩(wěn)性。本試驗的研究結果可以為不同型式網(wǎng)板的結構設計提供一定參考。

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Research of deflector shape on hydrodynam ic performances of double-slotted cambered otter-board

WANG Lei，WANG Lu-min，F(xiàn)ENG Chun-lei，ZHANG Xun，ZHOU Ai-zhong，ZHANG Yu，LIU Yong-li，QIGuang-rui
（Key Laboratory of Oceanic and Polar Fisheries，Ministry of Agriculture；East China Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200090，China）

In order to improve the hydrodynamic performance of double-slotted cambered otter board by optimizing the deflector structure，the effect of the deflector shape of double-slotted cambered otter board on hydrodynamic performanceswas investigated bymodel wind tunnel test.Four deflector shapes were designed in otter-board models：rectangle，fan shape，convex trapezoid and concave trapezoid.The basic structural parameters of four otter-board modelswere the same，the aspect ratio was 2.5，the camber ratio was 12%，the angle of double-layer deflector was 30°and 25°，and the angle ofmain-panel was 12°.The otter-boards modelswere installed on the six-componentmechanical tower-balance separately，and the testwas conducted in wind tunnelwith the flow velocity at28 m·s－1and the angle of attackαmeasured from 0°to 70°to obtain drag coefficients Cx，lift coefficient Cy，pressure-center coefficient Cp，calculated lift to drag ratio Cy／Cxand to give the relation curve of these values and angle of attackα.For comparison in the lift coefficient of four otter-board models，the results showed that the relationship of the maximum lift coefficient Cybetween four otter-board modelswas Cy（convex trapezoid）＞Cy（rectangle）＞Cy（fan shape）＞Cy（concave trapezoid），themaximum lift coefficient Cyof the otter-board modelwith convex trapezoid structure was higher，itwas 1.946（α＝47.5°）.For comparison in the drag coefficient of four otter-board models，the results showed that the relationship of the drag coefficient Cxbetween four otter-boardmodels at the attack angel of30°was Cx（fan shape）＞Cx（rectangle）＞Cx（concave trapezoid）＞Cx（convex trapezoid），the drag coefficient Cxof the otter-board modelwith convex trapezoid structure was lower.For comparison in the lift to drag ratio of four otter-board models，the results showed that the relationship of the maximum lift to drag ratio Cy／Cxbetween four otter-board modelswas Cy／Cx（convex trapezoid） ＞Cy／Cx（rectangle）＞Cy／Cx（fan shape）＞Cy／Cx（concave trapezoid），the maximum lift to drag ratio Cy／Cxof the otter-board model with convex trapezoid structure was higher，it was 7.486（α＝30°）.In comparison of stability，the stability of otter board model with double fan deflector structure was better，and its lower absolute value of Cmand variable coefficient Cpwere 0.061 and 5.43%respectively.Therefore，the double-slotted cambered otter-board with convex trapezoidal deflector could provide larger lift and have good working effect，the double-slotted cambered otterboard with fan shaped deflector had the higher stability.The resultswould offer the reference for the structural optimization design of trawl otter board.

otter board；wind tunnel test；hydrodynamic performances；deflector

S 971.4

A

1004－2490（2017）06－0682－08

2017－05－08

國家科技支撐計劃資助項目（2013BAD13B03）

王 磊（1980－），男，助理研究員，碩士，研究方向：漁業(yè)工程。E-mail：Emperor0228＠163.com

張 勛，研究員。E-mail：zhangxun007＠hotmail.com