二維平板流態的CFD模擬分析

劉莉莉，金 煒，虞聰達

（浙江海洋學院水產學院，浙江舟山 316022）

二維平板流態的CFD模擬分析

劉莉莉，金 煒，虞聰達

（浙江海洋學院水產學院，浙江舟山 316022）

應用fluent軟件，利用控制變量的方法，改變沖角和流速，對二維平板周圍流態進行數值模擬仿真，揭示了二維平板在不同沖角及不同流速中周圍流態的變化趨勢：（1）平板置于定常流中，其兩端會不斷產生渦流，渦流會向后方漂移脫落，且前端產生的渦流中心速度大于后端產生的渦流中心速度；（2）平板后方形成的渦流中心流速隨沖角的增大而增大，速度梯度更明顯；平板前后端交替出現相反方向的渦流的現象更加明顯和富有規律性；（3）流速（雷諾數）越大，渦流運動越劇烈，流線變化幅度越大，渦流中心間距越短。

二維平板；數值模擬；流態

單拖網是漁業生產捕撈作業的重要方式之一。在我國各大海區，單拖網作業形式應用廣泛。網板作為單拖網捕撈作業的主要構件，有著以下幾方面的作用：一是利用其擴張力實現網具的水平擴張；二是起著沉降器的作用，使網具處于一定的水層；三是驅集魚群入網的作用。可見，網板的水動力學特性將直接關系網板的作業性能，進而影響到漁獲量以及漁民的經濟收入，這對網板在節能、高效、低耗等方面提出了更高的要求，而關鍵問題是要掌握和了解網板周圍的流體[1]。

國內外對網板的研究較多，早在上個世紀70年代，陳興崇[2-3]總結了網板的類型以及各類型網板水動力性能的優劣。利用風洞和水槽進行模型實驗是檢驗網板優劣的重要手段，如日本PARK等[4]對不同種類的網板進行了水動力性能的研究，分別對不同展弦比的網板在自由水流和貼底水流兩種狀態下的水動力系數進行測定；關長濤等[5]對大型拖網網板性能進行了對比性研究，通過風洞實驗，認為立式曲面縫翼式網板的綜合性能較好，故把它作為國產化配套網板的基本形式，較好地解決了遠洋單拖網板的國產化配套問題；虞聰達等[6]對單船拖網柔性網板進行研究，理論上對柔性網板實現網口擴張的可行性進行了論證，通過水槽模型試驗獲得實驗數據，并對柔性網板的實用性提出了看法；王錦浩等[7]對立式V型曲面網板的水動力性能進行研究，指出影響網板水動力性能的最重要的因素是網板板面折角，其次是展弦比和后退角；劉健等[8]研究了小展弦比立式曲面網板的水動力性能，得出該網板的最佳工作沖角范圍為15°～30°的結論。隨著CFD軟件的迅速發展，為解決各類復雜的流體力學問題提供了新方法，也逐漸有學者開始將其應用到網板的流體模擬中，如李崇聰[9]利用Fluent軟件數值模擬，再通過水槽模型試驗來研究近岸小型拖網漁船使用的V型網板在水槽當中的水動力性能。

本文作為對網板周圍流體特性的初步研究，采用簡化模型二維平板作為研究對象，應用CFD軟件研究二維平板周圍流態，對二維平板在不同沖角、不同流速等不同情況下周圍的流體速度大小和方向進行模擬仿真和可視化研究，以期為生產制造者和科研人員在對網板的良好設計制作以及理論研究方面提供一定的參考依據。

1 網板水動力特性相關因素

1.1 網板沖角

網板在使用時，網板平面與水流方向呈一定夾角，所受作用力如圖1所示，F為水流對網板的水總動壓力。它可以被分解為與與網板運動方向垂直的擴張力Fy和運動方向相平行的阻力Fx。

圖1 網板上的水動力Fig.1 Hydrodynamic force on otter board

上式中，F表示網板的總水動力（N），Fx和Fy分別表示網板的阻力（N）和升力（N）；C代表網板總水動力系數，Cx和Cy分別表示網板的阻力系數和升力系數；S是網板面積（m2）；ρ是海水密度（kg/m3）；V為水流與網板的相對速度（m/s）。

1.2 雷諾數

水動力性能還與雷諾數相關，雷諾數與流體的流速有關，流速越大，雷諾數也就越大。雷諾數公式為：

V表示流體的流速，d表示平板厚度，μ是流體的粘性系數。當雷諾數小于2 300，粘性力起主導作用，流態為層流；雷諾數大于2 300小于4 000時，流體流動屬于過渡區；雷諾數大于4 000時，慣性力為主導作用，流態為湍流。

2 數值模擬試驗方法

本文應用Fluent軟件對試驗模型進行數值模擬分析，首先經過Gambit軟件設計模型：本文以矩形網板作為原型參照物，在取其剖面的基礎上，設計二維平板作為數值模擬對象，其剖面尺寸大小為：長度2 m，厚度0.2 m。將該二維平板置于一定常流域中心偏左位置，該流域呈矩形，水平長度為10 m，垂直寬度為5 m，即流體計算區域尺寸大小為10 m×5 m。流體定義為水，左側為水流入口，右側為水流出口。將流體區域的矩形長度為10m的兩條邊劃分段數為100；寬度為5 m的兩條邊劃分段數為50。平板區域的矩形長度2 m的兩條邊劃分段數為20；寬度為0.2 m的兩條邊劃分段數為2。邊網格劃分完成之后進行面的網格劃分，以圖2所示沖角為30°的平板為例，總共將流體計算區域劃分成了不同面積大小的網格4 960個。而后再經過Fluent求解器求解所需的計算結果，本文求解器選擇二階隱性進行求解。本文對來流速度為0.5m/s時，平板沖角為0°、20°、40°、60°、90°的情況以及平板沖角為30°，來流速度為0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s的情況進行了流體計算，并且達到收斂。最后將各個工況的計算結果分別導入到Tecplot軟件進行數據處理，導出計算結果。

圖2 網格劃分Fig.2 Mesh generation

3 數值模擬結果與分析

3.1 相同沖角與相同流速下不同時刻的流態變化

圖3（a）～圖3（d）顯示的是在二維平板沖角為30°、流速為0.5 m/s的狀態下，在一個近似周期（0.51 s）內不同時刻（0.03 s、0.12 s、0.36 s、0.51 s）的平板周圍流速大小變化圖。圖最右邊的顏色條從下至上共分為15階，顏色不同代表的速度大小不同，冷色端速度小，暖色端速度大。從圖中的顏色變化可以判斷計算的流體區域各部分速度大小的變化趨勢。流態顯示為復雜不穩定的湍流，此時雷諾數Re為0.84×105。

從圖3（a）中可以知道，當來流經過平板時，平板邊界層流速較小，貼近平板處幾乎為零，平板前端背流面和末端迎流面在流體經過后開始漸漸形成了兩個速度大小不一致的漩渦，前端漩渦中心速度略大于后端漩渦中心速度，且幾乎達到來流速度的兩倍。隨著時間推移，漩渦向后漂移，前端漩渦中心速度進一步增大，且在平板背流面上下兩個漩渦間出現高壓區，速度較低（圖3（b））。而到了下一個時刻圖3（c）時，可見上下兩個漩渦已經先后從平板處分離，平板前端的漩渦剛剛脫離平板，末端的漩渦很明顯已經漂遠，新的末端漩渦正在生成。此時，前端漩渦中心點速度依然高于末端漩渦中心速度，且速度大小比來流速度高于兩倍有余。圖3（d）中顯示，前端漩渦已經漂遠，且新的漩渦正在生成，末端漩渦正在不斷壯大。平板背流面上下兩個漩渦的中間地帶存在復雜不穩定的高壓漩渦和低壓漩渦。

圖3 流態變化圖（α=30°，V=0.5 m/s）Fig.3 Diagram of flow state variation(α=30°,V=0.5 m/s)

3.2 不同沖角同一流速下平板周圍的流態

圖4（a）～（e）表示的是流速為0.5 m/s，沖角為0°，20°，40°，60°，90°的情況下的同一時刻的平板周圍流速大小分布變化圖及其相對應的速度矢量圖。圖4（a1）～圖4（g1）表示流速大小分布變化圖，其表示方法同上。圖4（a2）～圖4（g2）表示速度矢量變化圖。箭頭表示的是流體質點的流線，箭頭的方向代表的是受到平板影響的流體的運動方向，箭頭的疏密顯示速度大小不同。

從圖4中可以看出，隨著沖角的增大，平板周圍的流態變化差別很大。從圖4（a1）～圖（g1）可以看到，在沖角為0°情況下，平板周圍速度大小表現的比較平緩，流速梯度分布不大，最大速度與來流速度幾乎持平，只在平板后端產生一段低速區域，并在后方產生上下波動的低流速尾流。在沖角20°～90°時，平板的前端和后端在平板后方均會交替出現大小不一的漩渦，其漩渦中心流速大小隨角度增大逐漸增大。沖角20°時，漩渦中心流速大小不到來流速度的兩倍；當沖角40°時，漩渦中心流速大小接近于來流速度的三倍；當沖角大于60°時，漩渦中心流速大小已經是超過來流速度的三倍有余，沖角90°時，其最大瞬時速度可達1.77 m/s。可見平板的周圍流速大小和沖角大小具有密切的關系，沖角越大，受平板影響的漩渦中心速度也越大，從而影響平板的阻力和升力。

從圖4（a2）～圖4（e2）可以看出流體質點受平板影響產生流線方向變化，表現為流體質點的繞流運動。圖4（a2）中流線變化比較平穩，靠近流體區域邊界部分的流線與入口處的流體的流線基本是保持平行的，只在靠近平板周圍和平板的末端出現了不平穩的流線，主要是受到了平板的影響。圖4（b2）～圖4（e2）平板周圍的流線變化則非常明顯，在平板后方均出現了或順時針或逆時針的漩渦以及不穩定的復雜湍流。圖4（b2）平板背面呈現出一個順時針的低速渦流，該渦流上方的流體與其發生分離后出現波浪形流動，后面的流體質點則呈現出向后下方流動后又向后上方流動的形態。圖4（c2）中，平板前端的流體質點在平板背流面上方較為密集，平板末端的流體質點首先表現出一個急劇的逆時針繞流形態，與上方質點匯合又表現出一個急劇的順時針流動形態，再后面的質點是又形成一個逆時針漩渦。該渦流下方流線密集，上方流線稀疏。圖4（d2）中，平板前端流體質點在經過平板前端后出現一個分流，少部分質點直接順平板背面向下與平板末端的密集流線匯合后形成逆時針渦流，該渦流右側質點有部分又分離后與平板前端來流的另一部分分流匯合形成順時針渦流。這種順時針和逆時針渦流周期性地交替出現的情形在圖4（e2）中有著更明顯的體現，渦列在平板后方兩端形成隨即脫落，漂離平板，漂離距離越遠，渦流面積越大，流線越疏；所有順時針渦流的中心連線與逆時針渦流的中心連線平行且具有一定間距；該現象即著名的卡門渦列現象。

圖4 不同沖角下的流態變化圖Fig4 Diagram of flow state at different angle of attack

3.3 不同流速同一沖角下平板周圍的流態

圖5（a）～圖5（d）表示的是沖角為30°的二維平板在來流速為0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s情況下同一時刻的平板周圍流速大小變化圖及其相對應的速度方向變化圖。圖5（a1）～圖5（d1）是速度梯度分布圖；圖5（a2）～圖5（d2）是速度矢量圖。0.5 m/s、1 m/s、1.5 m/s、2 m/s四種流速下的雷諾數Re經公式（2）計算后分別為0.84×105、0.17106、0.25×106、0.34×106。

從圖5（a）～圖5（d）的變化圖來看，四組圖中流態變化比較接近。圖5（a1）～圖5（d1）中顯示，漩渦最大中心速度基本為來流速度的兩倍左右。平板后方形成的低速高壓區范圍隨著雷諾數的增大而逐漸增大。圖5（a2）～（d2）中的流線顯示，平板后方的流體質點均形成一個順時針渦流，后面還有一個逆時針渦流。區別在于，兩個相反方向的渦流隨著雷諾數的增大，間距變小，處于后面位置的逆時針渦流逐漸從前一個順時針渦流的后上方位置移至緊靠順時針渦流的右下方位置。這意味著流線的變化曲度隨著雷諾數的增大

圖5不同來流速度下的流態變化圖（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 結語

雖然實際生產作業中網板的沖角一般在15°以內，但考慮到15°角度過小，流態變化區分度不大，更為重要的是本文為基礎性理論研究，將沖角范圍擴大至0°～90°內進行分析不僅是為增大區分度，更是為了充分和完整地了解和探索平板周圍的流態做好基礎性工作。

本文利用控制變量的方法，在平板沖角為0°、20°、40°、60°、90°，來流速度為0.5 m/s的情況以及沖角為30°，來流速度為0.5m/s、1m/s、1.5 m/s、2 m/s的情況對二維平板周圍流態進行數值模擬仿真，繪制并分析了各種工況下的流態變化，包括速度大小分布以及速度矢量方向。得到以下結論：（1）流體流經平板時，平板的前端和末端均分別出現渦流，前端產生的渦流中心速度大于后端產生的渦流中心速度。渦流隨時間推移發生脫落，向后方漂移，平板兩端新的渦流繼續產生；（2）沖角越大，平板后方形成的渦流中心流速越大，即高壓區和低壓區差異越大，速度梯度更明顯；平板前端和末端后方交替出現相反方向的渦流的現象更加明顯和富有規律性；（3）流速（雷諾數）越大，渦流運動越劇烈，流線變化幅度越大，渦流中心間距越短。

[1]徐寶生,張 勛,王明彥.單船拖網網板的現狀及發展趨勢[J].福建水產,2010(3):86-90.

[2]陳興祟.網板-I[J].湛江海洋大學學報,1976(1):75-79.

[3]陳興崇.網板-Ⅱ[J].湛江海洋大學學報,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]關長濤.大型拖網漁船網板性能的試驗研究[J].海洋水產研究,1998,19(2):93-100.

[6]虞聰達,宋偉華.單船拖網柔性網板的研究[J].浙江海洋學院學報:自然科學版,1999,18(1):1-9.

[7]王錦浩,王明彥,張勛等.立式V型曲面網板的水動力性能[J].水產學報,2004,28（3）：311-315.

[8]劉 健,黃洪亮,陳 帥,等.小展弦比立式曲面網板的水動力性能[J].水產學報,2013,37(11):1 742-1 749.

[9]李崇聰.V型網板水動力性能和數值模擬初步研究[D].青島:中國海洋大學,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

浙江省自然科學青年基金項目（LQ14C190002）；浙江省海洋漁業裝備技術研究重點實驗室開放基金課題（MFET201405）

劉莉莉（1981-），女，浙江蘭溪人，博士，研究方向：漁具理論與數值模擬.