展弦比和最大相对弯度对南极磷虾拖网网板水动力学性能的影响

刘 健，黄洪亮，吴 越，陈 帅，李灵智，饶 欣，杨嘉睴，屈泰春

展弦比和最大相对弯度对南极磷虾拖网网板水动力学性能的影响

刘 健，黄洪亮，吴 越，陈 帅，李灵智，饶 欣，杨嘉睴，屈泰春

（中国水产科学研究院东海水产研究所，农业部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室，中国水产科学研究院海洋捕捞工程技术研究中心，上海 200090）

为了研究展弦比和最大相对弯度对南极磷虾拖网网板水动力学性能的影响，通过水槽模型实验分析网板临界冲角（α0）、最大升力系数（CLmax）、临界冲角时的升阻比（Kα0）和最大升阻比（Kmax）等主要水动力学性能参数的变化规律。结果表明：1）展弦比对CLmax、Kmax和 Kα0值的影响极显著（P＜0.01），对 α0无显著影响（P＞0.05）。随着展弦比的增加，CLmax和 Kmax呈上升趋势，Kα0呈先升后降趋势，λ＝2.0时 Kα0值相对较高。随着展弦比的增加，α0分别呈下降（最大相对弯度为12%和14%）和上升（最大相对弯度为8%）趋势。最大相对弯度为10%时，α0在27.5°～30°间波动变化，趋势线基本保持水平。2）最大相对弯度对CLmax和Kmax值的影响极显著（P＜0.01），对 α0值的影响显著（0.01＜P＜0.05），对 Kα0无显著影响（P＞0.05）。展弦比和最大相对弯度两者间交互项对Kα0影响极显著（P＜0.01），而对CLmax和Kmax无显著影响（P＞0.05）。随着最大相对弯度的增加，CLmax和α0呈上升趋势，Kmax呈下降趋势。综合考虑拖网网板的水动力学性能，实际应用中建议立式双弧面网板最大相对弯度设计为12%，展弦比设计为2.0，此时网板的主要水动力学性能参数均为前40%水平，具有最大升力系数和最大升阻比相对较高、阻力系数较低的优点。

南极磷虾；拖网网板；水动力性能；模型实验

目前中国从事南极磷虾商业化开发的规模日益扩大，但在南极磷虾专用拖网网板的基础研究方面与发达国家相比仍存在一定的差距［1］。拖网网板是拖网渔船实现拖网水平扩张的重要构件，其水动力学性能的优劣是影响渔获量和捕捞效率的重要因素［2－5］。针对网板水动力学性能的研究普遍采用模型试验或数值模拟的方法［6－11］。日本学者在进行网板水动力学性能测试时主要采用循环水槽实验的方法［12－19］。国内模型网板实验早期主要在风洞设备中完成［2，20－24］，近年来逐渐开始在水槽中开展模型实验［25－30］。在以往的研究中，关注的焦点一方面是针对某具体型式网板开展模型实验，作为网板

选型的依据。如对矩形“V”型曲面网板与矩形平面网板的性能比较研究［19］，以及分别针对近海小型单拖网渔船使用的“V”型网板［25］、小展弦比矩形网板［26］和大型中层拖网渔船使用的大展弦比立式曲面式［20］、立式曲面“V”型［27］和大展弦比立式曲面缝翼式网板［28］为主要研究对象的实验研究。另一方面是在完成网板选型后，为了优化改进性能，研究不同结构参数对网板水动力学性能的影响。如展弦比［2，15－17，21－23，30］、单圆弧面弯度或曲率［1，15－17］、板面折角及其后退角［21］、导流板曲率及其缝口宽度［22－23］、开缝数量及缝口结构［1］、缝隙幅度及翼间隔幅度［30］等结构参数对不同类型网板水动力学性能的影响。

根据南极磷虾捕捞作业中目标水层较浅、拖速较低、拖曳时间较短的特点，简单延续使用原中层拖网作业时的网板会影响南极磷虾捕捞效率和品质［1，29］。立式双弧面型网板通过内部设置为中空结构，降低网板在水中的重量，适用于南极磷虾浅表水层拖网作业［29，31］，但其较佳的结构参数设置目前还不明确。本文对一种立式曲面双弧面型网板进行了水槽模型实验，分析了展弦比和最大相对弯度对拖网网板水动力学性能的影响，探讨高性能拖网网板的优化设计参数。

1 材料与方法

1.1 实验条件

实验在东海水产研究所循环水槽中完成，水槽实验段尺度为180 cm×50 cm×50 cm，最大流速为2.5 m·s－1。如图1所示，实验模型安装于水槽实验段中部，通过连接杆连接实验模型和三分力传感器。模型的迎流冲角通过旋转工作台进行调节。测量仪器使用日本共和电业制造的LSM－B－500NSA1-P型三分力传感器（量程500 N），测量数据由电脑记录储存。

图1 循环水槽示意图Fig.1 Model test conditions of otter board

1.2 模型网板

根据流体力学相似性原理，本实验采用雷诺相似准则，即模型网板雷诺数等于实物网板雷诺数。模型网板为立式双弧面型中空式结构［31］，比例尺为1∶20。模型网板翼弦长0.2 m，壁厚3 mm。实验模型采用立体光固化成型法（SLA，3D打印）制作，模型精度±0.1 mm，细节分辨率0.4 mm，最小壁厚1 mm，打印层厚0.1 mm，材质为光敏树脂复合材料。

模型网板参照双因素实验方法设计，其中因素一为展弦比，因素二为最大相对弯度，共20个模型。展弦比（λ）为翼展长l与翼弦长b的比值。在网板内部中空横截面作一系列与内外圆弧面相切的内切圆，诸圆心的连线称为网板的中弧线，最大内切圆的直径称为网板厚度。最大弯度fmax为网板中弧线与翼弦之间的最大距离，最大相对弯度f定义为网板最大弯度与翼弦长的百分比。展弦比（λ）共设5个系列，分别为 λ＝1.6、λ＝1.8、λ＝2.0、λ＝2.2、λ＝2.4，以字母“A～E”表示。在保证网板厚度相同情况下，网板最大相对弯度设4个系列，分别为8%、10%、12%、14%，以数字“1～4”表示。即以编号C2表示展弦比λ＝2.0、最大相对弯度为10%的模型网板。

图2 实验模型和横截面示意图Fig.2 Experimental model otter board and its cross section diagram

1.3 实验工况

具体实验工况见表1，其中迎流冲角在15°～40°之间每 2.5°为一档，在0°～15°和 40°～60°之间每5°为一档。实验流速范围为0.6～1.0 m·s－1，以 0.1m·s－1为一档。

表1 实验工况Tab.1 Experiment condition

1.4 数据处理

根据三分力天平记录的阻力Fx和升力Fy，经过支杆干扰修正，计算网板的阻力系数CD，升力系数CL和升阻比K。公式如下：

式中，ρ—流体密度（kg·m－3）；V—流速（m·s－1）；S—模型网板面积（m2）；Re—雷诺数；υ—流体运动粘度（m2·s－1）；b—特征长度（m），此处取为翼弦长度。

以网板的临界冲角（α0）、最大升力系数（CLmax）、临界冲角时的升阻比（Kα0）和最大升阻比（Kmax）作为表征拖网网板水动力学性能的主要参数。使用SPSS 17.0统计软件的一般线性模型（generalized linear model，GLM－Univariat）分析展弦比和圆弧最大相对弯度对拖网网板主要水动力学性能参数的影响。

2 结果与分析

2.1 自动模型区

以C2模型网板（展弦比λ＝2.0、最大相对弯度为10%）为例，其升力系数、阻力系数与雷诺数的关系如图3所示。当Re≥1.00×105时，升力系数和阻力系数基本保持不变，视为进入自动模型区，将自模区内测得的升力系数（或阻力系数）取平均值，即得该模型在该冲角下的升力系数（或阻力系数）。本文所讨论升力系数（或阻力系数）均为进入自模区的升力系数（或阻力系数）平均值。

2.2 不同冲角下网板的水动力学性能

如图4所示，网板升力系数随冲角的增加呈先升后降趋势。网板阻力系数随冲角的增加呈上升趋势。网板升阻比随冲角的增加呈先升后降趋势。λ＝1.6时，CLmax＝1.504（A4，α0＝32.5°），Kmax＝3.690（A2，α＝0°），升力系数达到最大值时的临界冲角 α0分别为 17.5°（A1）、22.5°（A2）、30°（A3）和32.5°（A4）。λ＝1.8时，CLmax＝1.368（B4，α0＝25°），Kmax＝4.119（B1，α＝5°），升力系数达到最大值时的临界冲角 α0分别为20°（B1）、20°（B2）、25°（B3）和25°（B4）。λ＝2.0时，CLmax＝1.500（C4，α0＝22.5°），Kmax＝5.194（C1，α＝5°），升力系数达到最大值时的临界冲角 α0分别为20°（C1）、20°（C2）、25°（C3）和22.5°（C4）。λ＝2.2时，CLmax＝1.517（D4，α0＝25°），Kmax＝5.015（D1，α＝5°），升力系数达到最大值时的临界冲角 α0分别为 20°（D1）、25°（D2）、22.5°（D3）和 25°（D4）。λ＝2.4时，CLmax＝1.547（E4，α0＝22.5°），Kmax＝5.525（E1，α＝5°），升力系数达到最大值时的临界冲角α0分别为22.5°（E1）、20°（E2）、22.5°（E3）和22.5°（E4）。

以λ＝2.0为例，详细说明不同冲角下网板升力系数和升阻比的变化趋势。当冲角α为0°～50°时，网板升力系数 CLC4＞CLC3＞CLC2＞CLC1（其中 α＝0°时，CLC2＞CLC4＞CLC1；α＝40°时，CLC3＞CLC4＞CLC2；α＝50°时，CLC3＞CLC1＞CLC2）。升力系数达到最大值时的临界冲角α0分别为20°（C1）、20°（C2）、25°（C3）和22.5°（C4）。当 α为0°～17.5°时，升阻比 KC1＞KC3＞KC2＞KC4（其中α＝10°时，KC3＞KC4＞KC2）；当 α为 20°～30°时，升阻比 KC4＞KC3＞KC2＞KC1（其中 α＝20°时，KC3＞KC4＞KC2；α＝27.5°时，KC3＞KC1＞KC2）；当α为32.5°～50°时，升阻比 KC3＞KC4＞KC1＞KC2（其中 α＝50°时，KC4＞KC3＞KC1）。

图3 升力系数、阻力系数和雷诺数的关系Fig.3 Relationship between lift coefficient，drag coefficient and Reynolds number

图4 不同最大相对弯度下网板的水动力学性能Fig.4 Hydrodynamic performance of the otter board at different maximum relative camber

2.3 主要水动力学性能参数的变化

实验中将展弦比和最大相对弯度分别分为5个水平和4个水平进行研究，以这2个因素作为类别变量，探求不同水平下网板水动力学性能的影响情况。如表2所示为不同参数网板的临界冲角、最大升力系数、临界冲角时的升力系数和最大升阻比，GLM模型分析结果表明展弦比和圆弧最大相对弯度对最大升力系数和最大升阻比的影响极显著（P＜0.01），两者间交互项对CLmax和Kmax无显著影响（P＞0.05），故分别讨论两因素对CLmax和Kmax的影响。展弦比和两者间交互项对 Kα0影响极显著（P＜0.01），最大相对弯度对Kα0无显著影响（P＞0.05）。最大相对弯度对临界冲角影响较显著（0.01＜P＜0.05），展弦比对临界冲角无显著影响（P＞0.05）。

图5和图6为模型网板在不同展弦比和最大相对弯度下的主要水动力学性能参数。图5和图6－a中虚线为散点图的线性趋势线，图6－b中虚线为散点图的二项式趋势线。如图5－a所示，CLmax随展弦比和最大相对弯度的增加而升高。如图5－b所示，Kmax随展弦比的增加而升高，但随最大相对弯度的增加而呈下降趋势。如图6－a所示，随着展弦比的增加，α0分别呈下降（最大相对弯度为12%和14%）和上升（最大相对弯度为8%）趋势。最大相对弯度为10%时，α0在27.5°～30°间波动变化，趋势线基本保持水平。随着最大相对弯度的上升，α0呈上升趋势。如图6－b所示，随着展弦比的增加，Kα0呈先升后降趋势，λ＝2.0时Kα0值相对较高。最大相对弯度为12%、λ＝2.0时，网板的主要水动力学性能参数（CLmax、Kα0和 Kmax）均为前 40%水平，综合水动力学性能较佳。

3 讨论

3.1 展弦比对网板水动力学性能的影响

网板内外板面的压力差和背涡流产生的涡升是网板升力的主要来源［2］。朴仓斗等［12］认为在相同迎流冲角情况下，随着展弦比的增加，网板背面的涡流区逐渐减小，阻力也相应减小。郭根喜等［2］通过网板系列模型风洞实验研究了4种不同展弦比立式圆弧形曲面网板的水动力学性能，得出随着展弦比的增加，临界冲角逐渐减小，CLmax和Kmax值也是随展弦比的增大而增大，而阻力系数则随展弦比的增大而减小。本研究结果显示，随着展弦比的增加，CLmax和Kmax呈上升趋势，Kα0呈先升后降趋势，λ＝2.0时 Kα0值相对较高，与上述结论相吻合。郭根喜等［2］根据实验结果总结出大展弦比网板的临界冲角较小，α0一般在20°～22.5°间；而小展弦比网板的临界冲角变化范围大，α0一般在17.5°～32.5°间。本研究结果显示，展弦比对临界冲角无显著影响（P＞0.05），随着展弦比的增加，α0分别呈下降（最大相对弯度为12%和14%）和上升（最大相对弯度为8%）趋势。最大相对弯度为10%时，α0在27.5°～30°间波动变化，趋势线基本保持水平。福田贤吾等［16－17］研究中层拖网作业中展弦比对立式曲面网板的影响结果表明，随着展弦比的增加，CLmax值会出现先增大（展弦比 1.0～3.0区间）后减小（展弦比 3.0～6.0区间）的情况，Kmax值则呈上升趋势而α0呈下降趋势。认为是由于翼端背涡流随着展弦比的增加对水流分离的抑制能力减弱，导致网板的扩张性能下降［17］。本研究未观测到CLmax值随着展弦比的增加出现先升后降的变化趋势。这是由于本实验中展弦比的最大水平取为2.4所致。原因是在南极磷虾实际生产作业中，随着展弦比的增加，网板的重心出现逐渐上移的趋势，压力中心系数波动增大，将造成网板的稳定性能下降［13－14］。本实验中，在最大相对弯度相同条件下，展弦比为2.0时，网板临界冲角时的升阻比Kα0值较高。

表2 网板主要水动力学性能参数Tab.2 Main hydrodynamic performance parameters of otter board

图5 不同模型网板的最大升力系数和最大升阻比Fig.5 The maximum lift coefficient and maximum lift to drag ratio of otter board

3.2 最大相对弯度对网板水动力学性能的影响

图6 不同模型网板的临界冲角变化及临界冲角时的升阻比Fig.6 Critical angle of attack and lift to drag ratio atα0 of otter board

与矩形平面网板相比，立式曲面网板附加一定的圆弧弯度，可以提高网板的升力特性［13］。郭根喜等［2］通过研究4种不同弯度立式圆弧形曲面网板的水动力学性能，得出随着相对弯度的增大，CLmax值逐渐变小，提出翼型的相对弯度不宜过大，以7%～10%为宜。朴仓斗等［13］也认为随着弯曲度的增加，网板的升力特性虽然得到了提升，但网板的阻力也同时增加。本研究结果与上述结论不同，这是因为之前所研究的立式圆弧形曲面网板为单圆弧面结构，随着相对弯度增大，迎流面积也相应增加。另外，单圆弧面弯曲度的增加会影响到网板内外侧的压力差和背涡流强度，并抑制背涡流对水流的分离能力，导致升力系数下降［13］。本研究中立式曲面网板采用双侧圆弧面结构，当最大相对弯度增加时，网板内侧和外侧圆弧面相对弯度同时变化，流线型优于单侧圆弧结构，可有效降低阻力，提高升力系数。空气动力学领域中翼型弯度对风力机翼型气动性能的影响结果表明，相同翼型厚度的条件下，通过增大翼型弯度的方法，可在一定的范围内提高翼型的升力系数和升阻比，并且升阻比和升力系数的高值范围较宽［32－33］。但超过一定的范围后，由于流动容易分离，背涡流的分布范围增大、数量增多，导致翼型所受阻力迅速增加，升阻比也同时下降［32］。本研究中，随着最大相对弯度的增加，CLmax和α0呈上升趋势，但Kmax呈下降趋势。这是因为风力机翼型弯度变化幅度较小（0.95%～4.46%之间），而本研究最大相对弯度变化较大（8%～14%之间）。随着最大相对弯度的增加，虽然升力系数有所提高，但阻力系数也相应增加，导致Kmax呈下降趋势。因此在网板设计中，网板只有选取适当的最大相对弯度，有利于获得良好的翼面压力分布和保持层流流动。本实验中，在相同展弦比（λ＝2.0）条件下，最大相对弯度为12%时，网板最大升力系数和最大升阻比相对较高，阻力系数较低。

4 小结

（1）展弦比对 CLmax、Kmax和 Kα0值的影响极显著（P＜0.01），对 α0无显著影响（P＞0.05）。随着展弦比的增加，CLmax和 Kmax呈上升趋势，Kα0呈先升后降趋势，λ＝2.0时Kα0值相对较高。随着展弦比的增加，α0分别呈下降（最大相对弯度为12%和14%）和上升（最大相对弯度为8%）趋势。最大相对弯度为10%时，α0在27.5°～30°间波动变化，趋势线基本保持水平。

（2）最大相对弯度对CLmax和Kmax值的影响极显著（P＜0.01），对α0值的影响显著（0.01＜P＜0.05），对 Kα0无显著影响（P＞0.05）。展弦比和最大相对弯度两者间交互项对Kα0影响极显著（P＜0.01），而对 CLmax和 Kmax无显著影响（P＞0.05）。随着最大相对弯度的增加，CLmax和 α0呈上升趋势，Kmax呈下降趋势。

（3）综合考虑南极磷虾拖网网板的水动力学性能，实际应用中建议立式双弧面网板最大相对弯度设计为12%，展弦比设计为2.0，此时网板的主要水动力学性能参数均为前40%水平，具有最大升力系数和最大升阻比相对较高、阻力系数较低的优点。

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Effect of aspect ratio and the maximum relative camber on hydrodynamic performance of Antarctic krill trawl otter board

LIU Jian，HUANG Hong-liang，WU Yue，CHEN Shuai，LI Ling-zhi，RAO Xin，YANG Jia-liang，QU Tai-chun
（Key Laboratory of East China Sea and Oceanic Fishery Resources Exploitation of Ministry of Agriculture，Engineering Technology Research Center of Marine Fishing of Chinese Academy of Fishery Sciences，East China Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 200090，China）

The Antarctic krill resource is abundant surrounding the Antarctic area，and its development potential has taken more and more attention around the world.A key factor to enhance the Antarctic krill trawl productivity is to improve the expansion performance of trawl net in low trawling speed.To study the effect of different aspect ratio and the maximum relative camber on hydrodynamic performance of a high aspect ratio otter board with hollow structure，a flume model experiment was conducted to analyze the change rules of main hydrodynamic performance parameters，such as the critical angle of attack（α0），the maximum lift coefficient（CLmax），the maximum lift to drag ratio atα0（Kα0）and the maximum lift to drag ratio（Kmax）.The experimental design scheme was constructed with two categories of variables：the aspect ratio and the maximum relative camber.The factors of the aspect ratio were designed for 5 levels，and the factor of the maximum relative camber for 4 levels.According to the two factors experiment method，20 experimental models were designed.The experimental models were made by stereo light curing process.The experimental results were as follows：（1）the impacts of the aspect ratio on the CLmax，Kmaxand Kα0value were extremely significant（P＜0.01），but there was no significant impact on theα0value（P＞0.05）.While the aspect ratio was ascending，the CLmaxand Kmaxvalue showed rising tendency，but the Kα0value had a trend of rise first then fell.Whenλ＝2.0，the Kα0value was relatively higher than that of other otter boards.With the aspect ratio ascending，theα0value respectively showed an uptrend（for the maximum relative camber was 12%or 14%）and a downtrend（for the maximum relative camber was 8%）.When the maximum relative camber was 10%，theα0value fluctuated between 27.5°and 30°，and the trend line remained unchanged generally.（2）The maximum relative camber had extremely significant impact on the CLmaxand Kmaxvalue and significant impact on theα0value（0.01＜P＜0.05），but no significant impact on the Kα0value（P＞0.05）.The interaction terms between the aspect ratio and the maximum relative camber had extremely significant impact on the Kα0value（P＜0.01），but no significant impact on CLmaxand Kmaxvalue（P＞0.05）.The CLmaxandα0value shows an uptrend with the increase of the maximum relative camber，but the Kmaxvalue shows a downtrend.Considering the hydrodynamic performance of the otter board，the results suggests that the aspect ratio should be designed as 2.0 and the maximum relative camber should be 12%in practical application.In that case，the main hydrodynamic performance parameters of the otter board are the top 40%levels，and the Antarctic krill trawl otter board has advantages of lower drag coefficient and higher maximum lift to drag ratio and maximum lift coefficient.

Antarctic krill；otter board；hydrodynamic performance；model test

S 971.4

A

1004－2490（2017）05－0571－11

2016－11－25

公益性行业（农业）科研专项（201203018），国家自然科学基金青年项目（31402351）

刘 健（1985－），男，助理研究员，主要从事渔业工程的研究。E-mail：liuj＠ecsf.ac.cn

黄洪亮，研究员。E-mail：huanghl＠ecsf.ac.cn