基于导流板形状变化的双开缝曲面网板水动力性能研究

王 磊，王鲁民，冯春雷，张 勋，周爱忠，张 禹，刘永利，齐广瑞

（中国水产科学研究院东海水产研究所，农业部远洋与极地渔业创新重点实验室，上海 200090）

基于导流板形状变化的双开缝曲面网板水动力性能研究

王 磊，王鲁民，冯春雷，张 勋，周爱忠，张 禹，刘永利，齐广瑞

（中国水产科学研究院东海水产研究所，农业部远洋与极地渔业创新重点实验室，上海 200090）

开展风洞试验研究导流板形状变化对双开缝曲面网板水动力性能的影响，以优化网板导流板结构，提高双开缝曲面网板的水动力性能。试验设计4种导流板形状的网板模型，分别为矩形、扇形、凸梯形和凹梯形，4块网板模型的基本结构参数相同，展弦比2.5，叶板的曲率12%，双层导流板的预设角度30°和25°，主面板角度12°，试验风速28 m·s－1，冲角（α）范围0°～70°，模型安装于塔式六分量机械－应变天平的立柱上，分别对网板所受到的阻力、升力和力矩进行测量。结果显示：在网板升力系数方面，4块网板模型的最大升力系数为Cy（凸梯形）＞Cy（矩形）＞Cy（扇形）＞Cy（凹梯形），具有凸梯形结构的网板模型的最大升力系数较高，为1.946（α＝47.5°）；在网板阻力系数方面，在冲角为 30°时，Cx（扇形）＞Cx（矩形）＞Cx（凹梯形）＞Cx（凸梯形），具有凸梯形结构的网板模型阻力系数较低；4块网板模型的最大升阻比关系为Cy／Cx（凸梯形）＞Cy／Cx（矩形）＞Cy／Cx（扇形）＞Cy／Cx（凹梯形），具有凸梯形结构的网板模型最大升阻比较高，为 7.486（α＝30°）；在稳性对比方面，扇形导流板结构网板模型稳性较好，Cm绝对值与Cp变异系数分别为0.061和5.43%。试验表明，具有凸梯形导流板的双开缝曲面网板可以产生较大的升力，且阻力较小，具有良好的工作效果；具有扇形导流板的双开缝曲面网板稳性较高。试验结果可为拖网网板的结构优化设计提供参考。

网板；风洞试验；水动力性能；导流板

网板是拖网的重要属具，连接于拖网网口两侧，在拖曳前行时靠水流产生水平作用力扩张网口。配备水动力性能优良的网板可以提高捕捞生产效率，达到增产降耗的目的。通过调整网板的型式与结构参数以优化其水动力性能是目前渔业装备的一个研究方向，国外如日本、澳大利亚等渔业发达国家针对网板水动力性能均开展过研究，如福田贤吾等［1－2］对不同展弦比的立式曲面网板的水动力特性进行研究，并通过改变前后翼间隔和交错角，对双翼型网板的水动力性能进行了研究；松田皎等［3］对展弦比1.67、弯曲度14.1%、上反角 12°、后退角15°的立式 V型曲面网板水动力特性进行了研究；朴仓斗等［4］对不同展弦比的矩形网板水动力性能进行了研究；BROADHURST等［5］开展了网板在拖网中的应用性能对比研究；SALA等［6］对特性结构网板开展了模型与海上实物网板的试验对比。中国自20世纪80年代起，科研人员也进行了网板水动力性能的相关研究，如张勋等［7］、王锦浩等［8］分别对V型曲面网板水动力性能开展试验，分析网板不同结构参数对其水动力性能的影响；王明彦等［9］考察了上反角、后退角和展弦比对立式V型曲面网板水动力性能的影响；徐宝生等［10］开展了矩形Ⅴ型曲面网板和Ⅴ型网板生产性对比试验。目前的研究主要集中于网板不同型式结构水动力性能的差异，但在系列性优化改进网板结构等方面尚需开展相关基础研究［11－12］。进入21世纪后我国的近海与远洋渔业发展更为迅速，目前仍有较多的作业渔船及渔具装备较为落后，还停留在十几年前的装备水平，网板的型式结构较为简单，需要进一步改进以提高其性能［13－14］。网板的性能优化可以通过改变网板的结构，包括展弦比、开缝、V型板面折角、叶板曲率与角度等。例如，多翼型网板可提高网板稳性［15］；立式V型曲面等开缝网板可以更好的提升网板的扩张性能［7－9］；椭圆型开缝网板相比矩形平面网板可以更好的适应劣质海底作业［16－17］，调整网板的叶板形状可以改善网板的水动力性能，导流板作为网板前缘的导流装置，通过改变网板的流态以优化网板的水动力性能［18－19］，导流板的形状变化同样会对流态产生影响，目前此类相关研究还比较少，本研究选取目前国内外应用较多的双开缝曲面网板结构设计模型并开展风洞试验，通过变化网板导流板的形状对比其水动力性能差异，筛选具有较优水动力性能的导流板形状结构，以期为网板整体性能的优化研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 网板模型结构参数设计与制作

试验网板模型为双开缝矩形曲面网板，网板的叶板由双层导流板和一层主面板组成。本试验网板模型结构设计基于大展弦比中层拖网网板，网板面积一般在8～12 m2，试验模型在基本结构参数一致的前提下简化结构并等比例缩小，仅对导流板的叶片形状进行变化。网板模型的结构及参数说明见图1。

试验用4块网板模型的展弦比为2.5，网板模型投影面积均为0.160 m2，且各模型对应导流板及主面板的投影面积相同，其它具体参数见表1，对4块网板模型分别编号为1、2、3、4。制成的网板模型实物材质为钢，表面涂漆（图2）。

1.2 试验设备

试验风洞为南京航空航天大学NH-2风洞，该风洞为串置双试验段闭口回流风洞，本次试验在小试验段中进行，小试验段主要技术性能为：6 m（长）×3 m（宽）×2.5 m（高），进口截面积为7.18 m2，最大风速可达到90 m·s－1，最小稳定风速为5 m·s－1。

本次测力试验采用塔式六分量机械－应变天平进行测量，试验模型安装示意图见图3。

试验采用的数据采集处理系统由前置放大器、4台联网计算机系统组成。

图1 双缝矩形曲面网板模型结构及对应参数Fig.1 Structure and parameters of double-slit rectangular cambered otter board model注：L：网板翼弦长；b：网板翼展长；e：模型支点中心到前缘距离；B1，B2：导流板；A：主面板；γ1，γ2：导流板的角度；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 网板模型主尺度及结构参数说明Tab.1 Dimension and structure parameters of otter board models

图2 4块网板模型及设计正视图Fig.2 Four otter board models and front view of design注：网板模型1、2、3、4结构参数见表1；B1，B2：导流板；A：主面板Note：The structure parameters of4 otter-board models are shown in Tab.1；B1，B2：deflector；A：main-panel

图3 网板模型风洞试验安装示意图Fig.3 Installation instruction of otter board model in w ind tunnel

1.3 试验方法

1.3.1 试验模型相关参数定义

网板模型在风洞中的试验安装情况可见图3。4块网板模型按顺序依次安装到风洞中的六分量机械天平底座上，当风速达到28 m·s－1时（室温为20℃），冲角由0°～70°进行转动，其中在冲角0°～50°区间，每间隔 2.5°为一个测录数据点，冲角50°过后，每间隔5°为测录数据点，共计25组数据，包括阻力系数Cx、升力系数Cy、俯仰力矩系数Cm与压力中心系数Cp。

试验模型在风洞试验段中相关参数定义如图4所示。图4中0点为力矩参考点，即模型底部的打孔处。在试验过程中，模型的阻力由天平沿X轴方向的力提供，升力由天平沿Z轴方向的力提供，俯仰力矩由天平绕Z轴方向的My元提供。

图4 试验模型在风洞中相关参数定义示意图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：风速Note：FL：lift；FD：drag；M：pitch moment；V：wind speed

本期试验风速取V＝28 m·s－1，此时雷诺数（粘性系数），处于网板模型试验的自动模型区［7，20］。

1.3.2 试验测量网板参数定义

三分力：升力FL、阻力FD、俯仰力矩M（绕支点），同时测出压力中心点离网板前端距离d＝e－（M／N）［9］，（N为法向力）。

以上公式中空气密度 ρ＝1.225 kg·m－3，S为网板投影面积（m2），L为网板翼弦长（m）。

所有试验数据都进行了支架干扰修正，支架干扰修正采用直接扣除光支杆的方法来完成。

2 结果与分析

试验获得网板模型的阻力系数Cx、升力系数Cy、俯仰力矩系数Cm与压力中心系数Cp。优化网板的水动力性能主要是提高Cy，降低Cx并保证其稳性，网板的稳性可以通过网板的Cm与Cp来分析比较［21］。将Cy与Cx进行比值处理，获得的数值Cy／Cx即为升阻比，也是判定网板水动力性能优劣的重要因子［19］。为了清楚地分析4块网板模型的水动力性能差异，将试验数据分组并制成 Cx—α，Cy—α，C y／Cx—α曲线图，见图 5。

2.1 阻力系数与升力系数

图5中Cx—α与Cy—α曲线图分别表示了4块网板模型的阻力系数Cx与升力系数Cy随迎流冲角α的变化曲线。在冲角大于20°之后，Cx与α基本成正比关系，2号网板模型的Cx较高；同时2号网板模型的Cy在α角度35°之前较高，最大升力系数为 1.687（α＝35°），3号网板模型的最大升力系数最高，为 1.946（α＝47.5°）。分析表明具有凸梯形结构导流板的网板可产生较高的升力。

2.2 升阻比

图5中 Cy／Cx—α曲线显示在冲角 α＜22.5°时，1号与2号网板模型的升阻比Cy／Cx较高，最大升阻比分别为6.507（α＝22.5°）和6.328（α＝22.5°），3号网板模型具有较高的最大升阻比，为7.486（α＝30°）。分析表明，网板的导流板形状为凸梯形可以获得较高的升阻比。

2.3 稳性分析

网板的稳定性是指网板的动稳定性，包括动力稳定和静力稳定，主要是指网板在作业冲角前进时，不易产生侧翻和倾倒，且在网板倾斜甚至倾倒的状态下具有恢复工作状态的能力［18－19］。网板稳性的分析方法有多种，根据杨吝［17，22］译作，可以通过俯仰力矩系数和压力中心系数分析网板的稳性。

图5 网板模型各自C x，C y及 C y／C x与冲角的关系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

俯仰力矩也称纵向力矩，是指作用在网板模型的空气动力对其重心所产生的力矩沿横轴的分量，一般转换为俯仰力矩系数Cm来分析比较。俯仰力矩可分为上俯仰力矩与下俯仰力矩，一般通过正负区分，图中看出Cm值存在正负，其绝对值的大小表示了俯仰力矩的高低，一般俯仰力矩系数越趋于0时表示该网板的俯仰稳性越优，比较网板作业冲角对应的Cm绝对值即可判断网板稳性高低，这里可根据各网板模型最大升阻比Cy／Cx对应冲角α时的Cm绝对值来进行判断，具体数据见表2，2号网板模型在最大升阻比Cy／Cx对应冲角α时的Cm绝对值最低，为0.061，稳性较好。

表2 4块网板模型最大升阻比对应冲角α时的C m绝对值Tab.2 Absolute value C m at the angle of attackαcorresponding themaximum lift-drag ratio of 4 otter board models

利用压力中心系数来判断网板稳性一般是通过分析最大升阻比时冲角前后5°范围之内的Cp变异系数来比较，该系数越小，网板稳性越好［22］。计算所得数据见表3，2号网板模型的Cp变异系数最低，为4.43%。

表3 4块网板模型最大升阻比时冲角前后5°范围C p变异系数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

通过上述两种方法对4块网板模型的稳性进行比较分析，得出的结论均表明具有扇形导流板结构的网板具备较好的稳性。

3 讨论

网板模型风洞试验是网板水动力性能研究的方法之一，影响网板水动力性能的试验设计因素也较多，如展弦比、面板数量、缝口宽度、面板曲率、V型折角等［19－21］，常用的基础研究方法是改变网板结构的1个结构参数设计试验［1，7－8，23－24］，或改变多个参数开展试验［2－4，9］，在确定结构参数时，可开展模型试验测试验证其性能［16－17，25－26］。开缝式网板的导流板可以通过导引水流，调整网板的水阻力和扩张力［18，27］，本试验设计为单因素试验，即通过改变导流板形状来分析4块网板模型的水动力性能差异，为网板型式结构的优化提供参考。

3.1 网板的升力与阻力

网板的升力也即扩张力，来自于网板受迎流作用时在垂直来流方向上产生的分力，用于扩张拖网网口。试验表明，4块网板模型的最大升力系数为Cy（凸梯形）＞Cy（矩形）＞Cy（扇形）＞Cy（凹梯形），从导流板形状分析来看，导流板面积分布越趋向中心，则产生的升力越大，朴仓斗等［4］在研究网板面板的后退角Λ中发现，后退角的适当增加可以提高网板的升力系数，其结果分析与叶板的面积分布有一定关系。目前实际应用的网板有较多采用此种结构的叶板结构，以提高网板材料的利用效率，获得较高的网板扩张力。

网板的水阻力，即网板拖曳前行时受到的迎流向阻力，为便于对比，选取作业冲角α＝30°对应的4块模型网板的Cx值进行对比，此冲角对应各模型网板的升阻比较高，可以作为理论作业冲角［19－20］。数据表明，Cx（扇形）＞Cx（矩形）＞Cx（凹梯形）＞Cx（凸梯形），具有凸梯形结构导流板的网板模型阻力系数最低，可见导流板后部凸梯形结构可以改善面板背部流态，使网板阻力降低［16］。

3.2 网板的升阻比与稳性

网板的升阻比也可以称为网板工作效率，具备良好工作效率的网板可以在降低网板阻力的同时提高网板扩张力。试验表明，Cy／Cx（凸梯形）＞Cy／Cx（矩形）＞Cy／Cx（扇形）＞Cy／Cx（凹梯形），可见，凸梯形结构的导流板设计具有较高的升阻比，即合理增加导流板中心面积的分布可以改善网板背部流态，提高网板工作效率［4］。

网板的作业稳定性也非常重要，在拖网拖曳过程中，网板在工作冲角时不会前后左右晃动以保证网板的工作效率［13］。本文采用2种方法分析4块网板模型的稳性，结论表明具有圆弧导流板结构网板模型的稳性较优，对比矩形结构网板，圆形叶板的网板更适宜在高低不平的海底拖曳［11］。

4 小结

本试验研究得出，具有凸梯形导流板结构的双开缝曲面网板具有较高的升力系数，同时具有较大的升阻比，该形状导流板设计可以改良双开缝曲面网板的水动力性能。试验结果也表明具有扇形形状导流板的网板稳性较好，说明导流板的后部采用平滑的扇面弧形结构可以适当提高双开缝曲面网板的整体稳性。本试验的研究结果可以为不同型式网板的结构设计提供一定参考。

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

WANG Lei，WANG Lu-min，FENG 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

国家科技支撑计划资助项目（2013BAD13B03）

王 磊（1980－），男，助理研究员，硕士，研究方向：渔业工程。E-mail：Emperor0228＠163.com

张 勋，研究员。E-mail：zhangxun007＠hotmail.com