网板周围流态的可视化研究进展

庄鑫，邢彬彬，许传才，李超，罗振博

马丁一1，齐雨琨1，张国胜1、3

(1.大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023；2.东京海洋大学 海洋科学部，东京 108-0075；3.大连海洋大学 辽宁省海洋牧场工程技术研究中心，辽宁 大连 116023)



网板周围流态的可视化研究进展

庄鑫1、2，邢彬彬1、3，许传才1、3，李超1，罗振博1

马丁一1，齐雨琨1，张国胜1、3

(1.大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023；2.东京海洋大学 海洋科学部，东京 108-0075；3.大连海洋大学 辽宁省海洋牧场工程技术研究中心，辽宁 大连 116023)

摘要:对网板的研究目前主要集中于网板流体力学方面，而对网板周围流态的研究甚少。实现网板周围流态的可视化，不仅有利于为网板的性能优化提供借鉴，也可为计算机数值模拟结果进行验证。本研究中，综合采用线条法和氢气泡发生法对3种不同类型网板可视化的相关研究，分析了矩形平面网板、立体曲面网板和双翼型网板模型周围水流的流态分布，解析了流态分布与网板升力特性的关系，并对中国在网板研究中所存在的问题和今后的可实施性发展提出一些建议。

关键词:网板可视化；线条法；氢气泡发生法；流态分布；升力特性

目前,世界范围内使用着各式各样的网板，如由矩形平面网板演变而来的矩形平面V型网板、椭圆型网板、圆型网板等，以及由弯曲板演变而来的Suberkrub网板、立式曲面网板、立式曲面V型网板、双翼型网板等[1-16]。关于网板的研究，国内外学者主要集中在网板的流体力学性能方面，仅见国外学者利用可视化研究网板周围流态分布与网板升阻力特性的关系，中国到现阶段为止对网板周围流态可视化的研究仍属空白。使网板周围流态呈现可视化，并掌握其流态变化规律，不仅容易了解网板流体力特性变化的原因，也为网板的改进提供一种直观的手段。随着高速计算机的发展，计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)研究得到了飞速发展，利用CFD数值模拟“虚拟流场”的技术也日渐成熟,使网板周围流态呈现可视化,为CFD数值模拟的结果提供验证[17]。

网板周围流态的可视化分析研究，通常采用线条法和氢气泡发生法[18-22]。所谓线条法又称为流线法，是指将放入气流或水流中的线条一端固定后，根据自由一端所呈现的姿势来判断流的方向。而氢气泡发生法是指在水流中插入正负电极，通电后水被电解并产生可见氢气泡，通过氢气泡随水流流动时遇到物体后流态发生的改变进而判断流态的分布情况。本研究中，结合网板可视化分析的相关研究，综述了矩形平面网板、立体曲面网板和双翼型网板模型周围水流的流态分布，并解析了流态分布与网板升力特性的关系，以期为中国拖网网板的性能分析提供参考。

1矩形平面网板

1.1升阻力系数与冲角的关系

展弦比为0.5的矩形平面网板，其升阻力特性如图1-A所示。当冲角小于40°时，升力系数随冲角的增加而增大；当冲角大于30°后，升力系数的增加幅度减缓；当冲角为40°时，升力系数达到最大(1.24)，之后随着冲角的持续增加，升力系数呈下降趋势，而阻力系数则增大；当冲角为45°时，阻力系数到达一个极大值，而后减少；当冲角大于50°后，阻力系数再次呈增长趋势[2]。

1.2线条法

利用线条法，观测矩形平面网板内侧和背侧的线条分别在冲角为20°和40°时的摆动情况(图2，水流流向:左→右)，即内侧和背侧周围水流的流态分布。根据内侧线条的摆动情况，当冲角为20°或40°时，中心部附近的线条均比较整齐，但上下两端的线条均出现由内侧向背侧运动的现象，而且前缘部线条的摆动幅度比后缘部明显，说明在网板内侧和背侧之间存在一股迂回流，方向由内侧流向背侧，即网板内侧压力大于外侧压力，并且前缘部的内背压差比后缘部大；另外，冲角为20°时对应线条的摆动幅度大于冲角为40°时的摆动幅度，说明在冲角为20°～40°的变化过程中，迂回流强度减弱，内侧压力降低，背侧压力升高。

图1　3种类型网板的实物图及其升阻力系数与冲角的关系[2-4]Fig.1　Three kinds of otter board and lift, drag coefficient of flat plate, vertical cambered plate, biplane-type otter board in relation to the angle of attack, respectively[2-4]

根据背侧线条的摆动情况，当冲角为20°时，网板前缘出现涡旋，上下两端的线条呈现由内侧向背侧摆动的趋势，并与网板呈分离态势。当冲角为40°时，涡旋已覆盖整个网板背侧，此时对应的升力系数达到最大值。根据机翼理论[24-29]，置入气流中的机翼，随着冲角的增大，机翼上侧呈负压增长状态，而机翼下侧的压力剧增，在翼端处形成螺旋状涡流，并随主流向下流侧流去，即形成翼端涡。矩形平面网板的展弦比比机翼要小得多，受翼端涡的影响更大；翼端涡在从高压侧向低压侧迂回的过程中，受翼面的阻挡而产生负压效应，形成涡升力和诱导阻力。其中涡升力对网板的升力特性起贡献作用，而诱导阻力则是使矩形平面网板的阻力系数形成极大值的主要原因。

注：上图为网板内侧的水流流态；下图为网板背侧的水流流态Note：above diagrams，the inside；below diagrams，the backside图2　利用线条法观测矩形平面网板内侧和背侧的流态[23]Fig.2　Flowing visualization on the inside and back side of flat plate by the tuft method[23]

1.3氢气泡发生法

利用氢气泡发生法，观测矩形平面网板在冲角为20°和40°时，中心线和下端部的气泡分布(图3，水流流向:左→右)，即中心线和下端部周围的流态分布。根据中心线周围的气泡分布，当冲角为20°时，网板前缘出现水流与网板分离的现象，但分离水流又迅速附着在网板上；当冲角为40°时，分离现象进一步扩散，但后缘处的水流仍然附着在网板上。朴倉斗等[19]利用氢气泡发生法对展弦比为0.5和1.5的平面网板进行可视化观测，发现相对于展弦比为0.5的平面网板，展弦比为1.5的平面网板对应的失速角更小，而且冲角为20°附近时，展弦比为1.5的平面网板还未达到失速时，分离现象已扩散到整个网板背侧。

根据下端部的气泡分布，当冲角为20°时，下端部出现螺旋状的翼端涡，并伴随清晰的翼端涡中心轴。一般情况下，翼端涡中心轴是由于翼端涡较强的向心力，使翼端涡中心处汇集大量气泡而形成的。对于平面网板，翼端涡中心处最大速度为水流速度的3至5倍。冲角为40°时，翼端涡仍可见，但相对于冲角20°时的状态，翼端涡扩散，翼端涡中心轴的消失表明，在冲角为20°～40°的变化过程中，翼端涡强度在减弱，这也是冲角大于30°后升力系数增长减缓的原因之一。另外，根据中心线水流分离后又附着在网板上的现象，表明翼端涡有抑制水流分离的作用，但随着冲角的增大水流分离强度增加，而翼端涡的强度却在减弱，导致翼端涡对水流分离的抑制作用呈下降趋势[30]。

注：上图为网板中心线的水流流态；下图为网板下端部的水流流态Note：above diagrams，the central section；below diagrams， the down tip section图3　利用氢气泡发生法观测矩形平面网板中心线和下端部的流态[23]Fig.3　Flowing visualization around the central section and the down tip section of the flat plate by hydrogen bubbles[23]

2立式曲面网板

2.1升阻力系数与冲角的关系

展弦比为1.5、弯曲度为15%的立式曲面网板，其升阻力特性如图1-B所示。当冲角小于18°时，升力系数随着冲角的增加而增大；当冲角为18°～27°时，升力系数趋向一个稳定值，并在冲角为27°时升力系数达到最大(1.58)；当冲角大于27°时，升力系数呈下降趋势，而阻力系数一直呈增长趋势[3]。

2.2线条法

利用线条法，观测立式曲面网板内侧和背侧线条在冲角为20°和35°时的摆动情况(图4，水流流向:左→右)。根据内侧线条的摆动情况，冲角为20°或35°时，中心部附近的线条比较整齐，而上下端线条出现由内侧向背侧摆动的现象，表明翼端涡存在。当冲角为35°时，上下两端线条的摆动幅度减弱，翼端涡强度呈下降趋势。大体来说，立式曲面网板和矩形平面网板的内侧流态分布相近。

根据背侧线条的摆动情况，当冲角为20°时，网板前缘部的线条摆动整齐，但后缘部却出现因水流分离而形成的涡旋，造成线条凌乱，说明立式曲面网板与矩形平面网板的背侧流态存在差别；而上下两端的线条均向背侧方向摆动，并与网板分离。当冲角为35°时，后缘部涡旋已波及到前缘，并且根据上下端线条的摆动状况，翼端涡的强度在减少。因此，冲角从失速前的20°到失速时的27°，再到失速后的35°变化过程中，后缘部涡旋在向前缘扩散，当扩散到某一程度后，翼端涡无法抑制涡旋，升力系数迅速下降[23]。

注：上图为网板内侧的水流流态；下图为网板背侧的水流流态Note：above diagrams，the inside；below diagrams， the backside图4　利用线条法观测立式曲面网板内侧和背侧的流态[23]Fig.4　Flowing visualization on the inside and backside of vertical cambered plate by the tuft method[23]

2.3氢气泡发生法

利用氢气泡发生法，观测立式曲面网板在冲角为20°和35°时中心线和下端部的气泡分布(图5，水流流向:左→右)。根据中心线周围的气泡分布，当冲角为20°时立式曲面网板后缘部出现水流分离现象；当冲角为35°时分离现象已覆盖到整个网板背侧，水流分离点到达了最前缘。不同于平面网板，曲面网板前缘水流受网板自身弯曲度影响，抑制前缘水流分离，使水流的起始分离点不同[20]。

根据下端部周围的气泡分布，当冲角为20°时，伴随有中心轴的翼端涡形成；但当冲角为35°时，翼端涡几乎消失。朴倉斗等[20]利用氢气泡发生法对弯曲度为10%和15%的立式曲面网板进行了可视化研究，发现弯曲度为10%的网板，水流分离点的移动速度快于弯曲度为15%的网板；另外，弯曲度为10%的网板形成的翼端涡仅存在于失速前，但弯曲度为15%的网板，失速后仍有翼端涡的存在，这也是日本拖网渔业中，立式曲面网板的弯曲度设计在15%附近的原因之一。

注：上图为网板中心线的水流流态；下图为网板下端部的水流流态Note：above diagrams， the central section；below diagrams， the down tip section图5　利用氢气泡发生法观测立式曲面网板中心线和下端部的流态[23]Fig.5　Flowing visualization around the central section and the down tip section of vertical cambered plate by hydrogen bubbles[23]

3双翼型网板

3.1升阻力系数与冲角的关系

展弦比为3.0、弯曲度为15%、交错角为30°、翼间隔为9.1 cm的双翼型网板[4]，其升阻力特性如图1-C所示。当冲角为20°时，升力系数达到最大(1.68)；而阻力系数在冲角小于60°时呈增长趋势，大于60°后减少。福田賢吾等[4-5,31]比较了双翼型网板和单翼型网板，发现虽然两种网板具有相同的最大升力系数，但所维持升力系数在1.4以上的能力，双翼型网板是单翼型网板的2倍，且稳定性良好。

3.2线条法

利用线条法，观测双翼型网板在冲角为20°和25°时，前翼和后翼背侧线条的摆动情况(图6，水流流向:左→右)。根据前翼背侧线条的摆动，当冲角为20°或25°时，仅在前翼后缘部出现微弱的凌乱现象，但整体来说，线条均比较整齐。这是由于前翼背侧的水流受后翼内侧水流的压迫，抑制了前翼背侧水流与网板的分离。根据后翼背侧线条的摆动情况，当冲角为20°时，后翼上下端及后缘部的线条均比较凌乱，但中心处附近的线条仍较整齐，表明后翼后缘部已出现水流分离现象，并且产生了翼端涡；当冲角增至25°时，后缘部的水流分离已扩散到前缘[31]。

注：上图为网板前翼的水流流态；下图为网板后翼的水流流态Note： above diagrams， the fore wing； below diagrams， the rear wing图6　利用线条法观测双翼型网板前、后翼的流态[31]Fig.6　Flowing visualization on the fore wing and rear wing of biplane-type otter board by the tuft method[31]

3.3氢气泡发生法

利用氢气泡发生法，观测双翼型网板在冲角为20°和25°时，前、后翼中心线和下端部的气泡分布 (图7，水流流向:左→右)。根据中心线周围的气泡分布，当冲角为20°时后翼后缘部出现了水流分离现象；当冲角增至25°时水流分离点已向前缘移动，因水流分离而产生的涡旋扩大，但前翼背侧水流受后翼内侧水流的影响，即使冲角增至25°后，中心线附近的水流仍保持较整齐的态势。根据下端部周围的气泡分布，当冲角为20°时前翼内侧气泡越过翼端后流向下流侧，与后翼产生的螺旋状翼端涡汇合；但冲角达到25°时翼端涡的起始点已向前缘移动，螺旋状翼端涡轮廓变得不清晰[31]。

4流态分布与升力特性的关系

4.1网板中心线的流态分布与升力特性的关系

注：上图为网板中心线的水流流态；下图为网板下端部的水流流态Note：above diagrams，the central section；below diagrams， the down tip section图7　利用氢气泡发生法观测双翼型网板中心线和下端部的流态[31]Fig.7　Flowing visualization around the central section and the down tip section of biplane-type otter board by hydrogen bubbles[31]

综合上述3种不同类型网板的可视化分析研究，了解到不论是利用线条法或氢气泡发生法，这些网板在从失速前到失速时再到失速后的变化过程中，均呈现这样的规律:失速前，平面网板前缘发生水流与网板分离的现象，弯曲板及双翼型网板中的后翼则在后缘发生水流分离现象，此时对应的升力系数均处于上升趋势，但随着冲角的增加，升力系数的增长变得缓慢；失速时，因水流分离而产生的涡旋扩散，甚至可以覆盖到整个网板背侧，形成巨大的涡旋流域，此时对应的升力系数达到最大值；失速后，涡旋继续扩散，并覆盖到整个网板背侧，此时升力系数呈下降状态，可以判断网板的失速与水流分离产生的涡旋存在联系。因此，如何延缓网板的失速，关键在于对水流流态分布的控制，尽量阻碍水流分离的发生及扩散，这会相应地提升网板的升力特性。日本等渔业发达国家利用层流机翼理论，通过对机翼形状的改进，改善气流流经机翼时的压力分配，进而影响机翼周围的气流分布，延缓机翼的失速，提高了机翼的升力特性，利用这个理论，改进网板形状也取得了良好的进展[30，32-35]。

4.2网板下端部的流态分布与升力特性的关系

综合3种不同类型网板下端部周围的流态分布，失速前均形成了螺旋状翼端涡，并伴随着清晰的翼端涡中心轴，但失速后翼端涡的轮廓变得不清晰，甚至消失。因此，可以判断翼端涡的强度在减弱，网板内侧与背侧的压力差变小，导致翼端涡对网板背侧水流分离的抑制作用减弱。同时，翼端涡会产生涡升力和诱导阻力，且涡升力对网板的升力特性起着贡献作用。朴倉斗等[2]在对不同展弦比的平面网板的研究中，了解到展弦比越小的平面网板受翼端涡的影响越大。因此，如何控制翼端涡的强度，即网板内侧和背侧压力差损失的控制，对网板升力特性的提升同样起着关键作用，日本研究者从机翼中附加小翼的启发中，研制翼端板，减缓压力差的损失，提高了网板的升力特性。

5现状及展望

利用可视化技术可以更深层次地了解网板的水动力特性，为网板的改良和研制提供一种直观的认识。目前，针对网板的可视化研究，国外仅有少数研究者[18-20,30-33]在进行，国内尚未见相关研究。中国网板的可视化研究，首先应从基础实验设施的建设着手，构建针对渔网具研究所需的大型回流水槽，以及三分测力仪、六分测力仪、氢气泡发生仪器、流速计等仪器；其次，将网板的可视化技术和实际应用紧密结合，开展网板的可视化相关研究。中国近海的拖网渔业占有一定的比重，但普遍使用的网板，如矩形平面网板、矩形平面V型网板等均存在扩张性能差、效率低等缺点[6,8-10,12]，因此，可以从网板的可视化技术角度分析这些网板水动力性能差的原因，并对这些网板进行改良，提高网板性能。再者，国内研究者普遍采用风洞来进行网板模型的水动力性能实验[7,11]，因此，利用风洞进行网板的可视化实验是否可行值得深入研究。目前，世界范围内对于渔网具的研究已经迈入CFD数值模拟的阶段[36-37]，可利用计算机模拟网板周围的流态分布，了解其水动力特性。但是，CFD数值模拟结果是在恒温和流速不变的条件下得到的，需要经过网板模型的水动力性能实验和可视化实验去验证。因此，中国今后需要将理论研究、模型实验和CFD数值模拟相结合，进行网板可视化的系统研究，为旧式网板的改良优化和新型网板的开发研制提供技术支撑。

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A review of flowing visualization of different types of otter board

ZHUANG Xin1,2， XING Bin-bin1,3， XU Chuan-cai1,3， LI Chao1， LUO Zhen-bo

MA Ding-yi1， QI Yu-kun1， ZHANG Guo-sheng1,3

(1.College of Marine Science and Environment, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China; 2.Department of Ocean Sciences, Tokyo University of Marine Science and Technology, Tokyo 108-0075, Japan; 3. Center for Marine Ranching Engineering Science Research of Liaoning, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China)

Abstract：There have been some studies on hydrodynamic characteristics of otter board, and little research on flow visualization of otter board. Flowing visualization not only directly is involved in cognition to the improvement of otter board，but also is the important prerequisites for computer simulation. This paper deals with the research of flow visualization for 3 kinds of otter board types, rectangular flat, vertical cambered plate, and biplane-type otter board by the tuft method and hydrogen bubbles, and the relationship between flow distribution and lift force characteristics are valuated to provide contributions for the improvement of old type otter board and the development of new type otter board.

Key words：visualization of otter board； tuft method； hydrogen bubbles； flow distribution； lift force characteristic

通信作者：张国胜(1960—)， 男， 博士， 教授。E-mail:hyx-zhang@dlou.edu.cn

作者简介：庄鑫(1988—)， 男， 硕士研究生。E-mail:zhuangxin19880201@163.com

基金项目：公益性行业(农业)科研专项经费项目(201203018)

收稿日期：2014-10-29

中图分类号：S972

文献标志码：A

文章编号：2095-1388(2015)02-0237-06

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-1388.2015.02.024