刘莉莉，金 炜，虞聪达

（浙江海洋学院水产学院，浙江舟山 316022）

二维平板流态的CFD模拟分析

刘莉莉，金 炜，虞聪达

（浙江海洋学院水产学院，浙江舟山 316022）

应用fluent软件，利用控制变量的方法，改变冲角和流速，对二维平板周围流态进行数值模拟仿真，揭示了二维平板在不同冲角及不同流速中周围流态的变化趋势：（1）平板置于定常流中，其两端会不断产生涡流，涡流会向后方漂移脱落，且前端产生的涡流中心速度大于后端产生的涡流中心速度；（2）平板后方形成的涡流中心流速随冲角的增大而增大，速度梯度更明显；平板前后端交替出现相反方向的涡流的现象更加明显和富有规律性；（3）流速（雷诺数）越大，涡流运动越剧烈，流线变化幅度越大，涡流中心间距越短。

二维平板；数值模拟；流态

单拖网是渔业生产捕捞作业的重要方式之一。在我国各大海区，单拖网作业形式应用广泛。网板作为单拖网捕捞作业的主要构件，有着以下几方面的作用：一是利用其扩张力实现网具的水平扩张；二是起着沉降器的作用，使网具处于一定的水层；三是驱集鱼群入网的作用。可见，网板的水动力学特性将直接关系网板的作业性能，进而影响到渔获量以及渔民的经济收入，这对网板在节能、高效、低耗等方面提出了更高的要求，而关键问题是要掌握和了解网板周围的流体[1]。

国内外对网板的研究较多，早在上个世纪70年代，陈兴崇[2-3]总结了网板的类型以及各类型网板水动力性能的优劣。利用风洞和水槽进行模型实验是检验网板优劣的重要手段，如日本PARK等[4]对不同种类的网板进行了水动力性能的研究，分别对不同展弦比的网板在自由水流和贴底水流两种状态下的水动力系数进行测定；关长涛等[5]对大型拖网网板性能进行了对比性研究，通过风洞实验，认为立式曲面缝翼式网板的综合性能较好，故把它作为国产化配套网板的基本形式，较好地解决了远洋单拖网板的国产化配套问题；虞聪达等[6]对单船拖网柔性网板进行研究，理论上对柔性网板实现网口扩张的可行性进行了论证，通过水槽模型试验获得实验数据，并对柔性网板的实用性提出了看法；王锦浩等[7]对立式V型曲面网板的水动力性能进行研究，指出影响网板水动力性能的最重要的因素是网板板面折角，其次是展弦比和后退角；刘健等[8]研究了小展弦比立式曲面网板的水动力性能，得出该网板的最佳工作冲角范围为15°～30°的结论。随着CFD软件的迅速发展，为解决各类复杂的流体力学问题提供了新方法，也逐渐有学者开始将其应用到网板的流体模拟中，如李崇聪[9]利用Fluent软件数值模拟，再通过水槽模型试验来研究近岸小型拖网渔船使用的V型网板在水槽当中的水动力性能。

本文作为对网板周围流体特性的初步研究，采用简化模型二维平板作为研究对象，应用CFD软件研究二维平板周围流态，对二维平板在不同冲角、不同流速等不同情况下周围的流体速度大小和方向进行模拟仿真和可视化研究，以期为生产制造者和科研人员在对网板的良好设计制作以及理论研究方面提供一定的参考依据。

1 网板水动力特性相关因素

1.1 网板冲角

网板在使用时，网板平面与水流方向呈一定夹角，所受作用力如图1所示，F为水流对网板的水总动压力。它可以被分解为与与网板运动方向垂直的扩张力Fy和运动方向相平行的阻力Fx。

图1 网板上的水动力Fig.1 Hydrodynamic force on otter board

上式中，F表示网板的总水动力（N），Fx和Fy分别表示网板的阻力（N）和升力（N）；C代表网板总水动力系数，Cx和Cy分别表示网板的阻力系数和升力系数；S是网板面积（m2）；ρ是海水密度（kg/m3）；V为水流与网板的相对速度（m/s）。

1.2 雷诺数

水动力性能还与雷诺数相关，雷诺数与流体的流速有关，流速越大，雷诺数也就越大。雷诺数公式为：

V表示流体的流速，d表示平板厚度，μ是流体的粘性系数。当雷诺数小于2 300，粘性力起主导作用，流态为层流；雷诺数大于2 300小于4 000时，流体流动属于过渡区；雷诺数大于4 000时，惯性力为主导作用，流态为湍流。

2 数值模拟试验方法

本文应用Fluent软件对试验模型进行数值模拟分析，首先经过Gambit软件设计模型：本文以矩形网板作为原型参照物，在取其剖面的基础上，设计二维平板作为数值模拟对象，其剖面尺寸大小为：长度2 m，厚度0.2 m。将该二维平板置于一定常流域中心偏左位置，该流域呈矩形，水平长度为10 m，垂直宽度为5 m，即流体计算区域尺寸大小为10 m×5 m。流体定义为水，左侧为水流入口，右侧为水流出口。将流体区域的矩形长度为10m的两条边划分段数为100；宽度为5 m的两条边划分段数为50。平板区域的矩形长度2 m的两条边划分段数为20；宽度为0.2 m的两条边划分段数为2。边网格划分完成之后进行面的网格划分，以图2所示冲角为30°的平板为例，总共将流体计算区域划分成了不同面积大小的网格4 960个。而后再经过Fluent求解器求解所需的计算结果，本文求解器选择二阶隐性进行求解。本文对来流速度为0.5m/s时，平板冲角为0°、20°、40°、60°、90°的情况以及平板冲角为30°，来流速度为0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s的情况进行了流体计算，并且达到收敛。最后将各个工况的计算结果分别导入到Tecplot软件进行数据处理，导出计算结果。

图2 网格划分Fig.2 Mesh generation

3 数值模拟结果与分析

3.1 相同冲角与相同流速下不同时刻的流态变化

图3（a）～图3（d）显示的是在二维平板冲角为30°、流速为0.5 m/s的状态下，在一个近似周期（0.51 s）内不同时刻（0.03 s、0.12 s、0.36 s、0.51 s）的平板周围流速大小变化图。图最右边的颜色条从下至上共分为15阶，颜色不同代表的速度大小不同，冷色端速度小，暖色端速度大。从图中的颜色变化可以判断计算的流体区域各部分速度大小的变化趋势。流态显示为复杂不稳定的湍流，此时雷诺数Re为0.84×105。

从图3（a）中可以知道，当来流经过平板时，平板边界层流速较小，贴近平板处几乎为零，平板前端背流面和末端迎流面在流体经过后开始渐渐形成了两个速度大小不一致的漩涡，前端漩涡中心速度略大于后端漩涡中心速度，且几乎达到来流速度的两倍。随着时间推移，漩涡向后漂移，前端漩涡中心速度进一步增大，且在平板背流面上下两个漩涡间出现高压区，速度较低（图3（b））。而到了下一个时刻图3（c）时，可见上下两个漩涡已经先后从平板处分离，平板前端的漩涡刚刚脱离平板，末端的漩涡很明显已经漂远，新的末端漩涡正在生成。此时，前端漩涡中心点速度依然高于末端漩涡中心速度，且速度大小比来流速度高于两倍有余。图3（d）中显示，前端漩涡已经漂远，且新的漩涡正在生成，末端漩涡正在不断壮大。平板背流面上下两个漩涡的中间地带存在复杂不稳定的高压漩涡和低压漩涡。

图3 流态变化图（α=30°，V=0.5 m/s）Fig.3 Diagram of flow state variation(α=30°,V=0.5 m/s)

3.2 不同冲角同一流速下平板周围的流态

图4（a）～（e）表示的是流速为0.5 m/s，冲角为0°，20°，40°，60°，90°的情况下的同一时刻的平板周围流速大小分布变化图及其相对应的速度矢量图。图4（a1）～图4（g1）表示流速大小分布变化图，其表示方法同上。图4（a2）～图4（g2）表示速度矢量变化图。箭头表示的是流体质点的流线，箭头的方向代表的是受到平板影响的流体的运动方向，箭头的疏密显示速度大小不同。

从图4中可以看出，随着冲角的增大，平板周围的流态变化差别很大。从图4（a1）～图（g1）可以看到，在冲角为0°情况下，平板周围速度大小表现的比较平缓，流速梯度分布不大，最大速度与来流速度几乎持平，只在平板后端产生一段低速区域，并在后方产生上下波动的低流速尾流。在冲角20°～90°时，平板的前端和后端在平板后方均会交替出现大小不一的漩涡，其漩涡中心流速大小随角度增大逐渐增大。冲角20°时，漩涡中心流速大小不到来流速度的两倍；当冲角40°时，漩涡中心流速大小接近于来流速度的三倍；当冲角大于60°时，漩涡中心流速大小已经是超过来流速度的三倍有余，冲角90°时，其最大瞬时速度可达1.77 m/s。可见平板的周围流速大小和冲角大小具有密切的关系，冲角越大，受平板影响的漩涡中心速度也越大，从而影响平板的阻力和升力。

从图4（a2）～图4（e2）可以看出流体质点受平板影响产生流线方向变化，表现为流体质点的绕流运动。图4（a2）中流线变化比较平稳，靠近流体区域边界部分的流线与入口处的流体的流线基本是保持平行的，只在靠近平板周围和平板的末端出现了不平稳的流线，主要是受到了平板的影响。图4（b2）～图4（e2）平板周围的流线变化则非常明显，在平板后方均出现了或顺时针或逆时针的漩涡以及不稳定的复杂湍流。图4（b2）平板背面呈现出一个顺时针的低速涡流，该涡流上方的流体与其发生分离后出现波浪形流动，后面的流体质点则呈现出向后下方流动后又向后上方流动的形态。图4（c2）中，平板前端的流体质点在平板背流面上方较为密集，平板末端的流体质点首先表现出一个急剧的逆时针绕流形态，与上方质点汇合又表现出一个急剧的顺时针流动形态，再后面的质点是又形成一个逆时针漩涡。该涡流下方流线密集，上方流线稀疏。图4（d2）中，平板前端流体质点在经过平板前端后出现一个分流，少部分质点直接顺平板背面向下与平板末端的密集流线汇合后形成逆时针涡流，该涡流右侧质点有部分又分离后与平板前端来流的另一部分分流汇合形成顺时针涡流。这种顺时针和逆时针涡流周期性地交替出现的情形在图4（e2）中有着更明显的体现，涡列在平板后方两端形成随即脱落，漂离平板，漂离距离越远，涡流面积越大，流线越疏；所有顺时针涡流的中心连线与逆时针涡流的中心连线平行且具有一定间距；该现象即著名的卡门涡列现象。

图4 不同冲角下的流态变化图Fig4 Diagram of flow state at different angle of attack

3.3 不同流速同一冲角下平板周围的流态

图5（a）～图5（d）表示的是冲角为30°的二维平板在来流速为0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s情况下同一时刻的平板周围流速大小变化图及其相对应的速度方向变化图。图5（a1）～图5（d1）是速度梯度分布图；图5（a2）～图5（d2）是速度矢量图。0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s四种流速下的雷诺数Re经公式（2）计算后分别为0.84×105、0.17106、0.25×106、0.34×106。

从图5（a）～图5（d）的变化图来看，四组图中流态变化比较接近。图5（a1）～图5（d1）中显示，漩涡最大中心速度基本为来流速度的两倍左右。平板后方形成的低速高压区范围随着雷诺数的增大而逐渐增大。图5（a2）～（d2）中的流线显示，平板后方的流体质点均形成一个顺时针涡流，后面还有一个逆时针涡流。区别在于，两个相反方向的涡流随着雷诺数的增大，间距变小，处于后面位置的逆时针涡流逐渐从前一个顺时针涡流的后上方位置移至紧靠顺时针涡流的右下方位置。这意味着流线的变化曲度随着雷诺数的增大

图5不同来流速度下的流态变化图（α=30°；V=0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s）Fig.5 Diagram of flow state variation at different inflow velocities

4 结语

虽然实际生产作业中网板的冲角一般在15°以内，但考虑到15°角度过小，流态变化区分度不大，更为重要的是本文为基础性理论研究，将冲角范围扩大至0°～90°内进行分析不仅是为增大区分度，更是为了充分和完整地了解和探索平板周围的流态做好基础性工作。

本文利用控制变量的方法，在平板冲角为0°、20°、40°、60°、90°，来流速度为0.5 m/s的情况以及冲角为30°，来流速度为0.5m/s、1m/s、1.5 m/s、2 m/s的情况对二维平板周围流态进行数值模拟仿真，绘制并分析了各种工况下的流态变化，包括速度大小分布以及速度矢量方向。得到以下结论：（1）流体流经平板时，平板的前端和末端均分别出现涡流，前端产生的涡流中心速度大于后端产生的涡流中心速度。涡流随时间推移发生脱落，向后方漂移，平板两端新的涡流继续产生；（2）冲角越大，平板后方形成的涡流中心流速越大，即高压区和低压区差异越大，速度梯度更明显；平板前端和末端后方交替出现相反方向的涡流的现象更加明显和富有规律性；（3）流速（雷诺数）越大，涡流运动越剧烈，流线变化幅度越大，涡流中心间距越短。

[1]徐宝生,张 勋,王明彦.单船拖网网板的现状及发展趋势[J].福建水产,2010(3):86-90.

[2]陈兴祟.网板-I[J].湛江海洋大学学报,1976(1):75-79.

[3]陈兴崇.网板-Ⅱ[J].湛江海洋大学学报,1976(2):67-80.

[4]PARK C D,MATUDA K,HU F X,etal.The Effect of the Bottom on the Hydrodynamic Characteristics of the Flat Plates[J]. Nippon Suisan Gakkaishi,1993,59(1):79-84.

[5]关长涛.大型拖网渔船网板性能的试验研究[J].海洋水产研究,1998,19(2):93-100.

[6]虞聪达,宋伟华.单船拖网柔性网板的研究[J].浙江海洋学院学报:自然科学版,1999,18(1):1-9.

[7]王锦浩,王明彦,张勋等.立式V型曲面网板的水动力性能[J].水产学报,2004,28（3）：311-315.

[8]刘 健,黄洪亮,陈 帅,等.小展弦比立式曲面网板的水动力性能[J].水产学报,2013,37(11):1 742-1 749.

[9]李崇聪.V型网板水动力性能和数值模拟初步研究[D].青岛:中国海洋大学,2012.

CFD Simulation and Analysis of Flow Status around Two-dimension Plate

LIU Li-li,JIN Wei,YU Cong-da
(Fishery School of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

By controlling variable and changing angle of attack and flow velocity,the numerical simulation study of flow status around two-dimension plate is carried out based on software Fluent.The variation tendency of flow status around the two-dimension plate with different angles of attack and flow velocities is showed as follows∶(1)when plate is placed in steady current,there are vortexes generated from both ends,which will drift backward and then fall off.Center velocity of vortex generated from front end is greater than the one from back end；（2）the center velocity of vortex behind plate is increasing with the enlargement of angle of attack,meanwhile,velocity magnitude becomes more obvious,and the phenomenon that vortexes generate alternately from both ends with opposite direction is more obvious and regular;(3)the larger the current velocity(Renolds number)is,the stronger the vortex movement is,the greater the variation amplitude of streamline is,the shorter the distance between center of vortex is.

two-dimension plate;numerical simulation;flow status

S971.4

A

1008－830X(2015)01－0086－05

2014-08-30

浙江省自然科学青年基金项目（LQ14C190002）；浙江省海洋渔业装备技术研究重点实验室开放基金课题（MFET201405）

刘莉莉（1981-），女，浙江兰溪人，博士，研究方向：渔具理论与数值模拟.