高分子編結網片水動力特性水槽試驗研究

薄佳男，林 可，馬家志，胡夫祥，董書闖，尤鑫星，高 敏，宋偉華

(1浙江海洋大學水產學院，浙江省海洋漁業裝備技術研究重點試驗室，浙江 舟山 316000；2日本東京海洋大學，日本 東京 1080075)

隨著纖維材料生產工藝的發展，漁用材料已經從棉制纖維轉變為聚乙烯、尼龍、滌綸等合成纖維材料，大大提高了生產效率[1-2]。而近些年來漁業生產開始向著海況更加復雜的海域發展，又對漁用材料的強度、抗風浪能力等性能和制作工藝提出了更高的要求，因此對漁用高強度網片的研究愈發迫切。石建高等[3-7]將漁用高強度聚乙烯網片與普通聚乙烯編織線、普通聚乙烯六角形經編網片、普通聚乙烯絞捻網片等的斷裂強力和拉伸性能等物理性能進行了研究，發現高強度網片因其具有的高強拉伸力學性能優勢，可提高漁業生產效率和降低原材料消耗，為實現漁具和網箱大型化提供條件。

網片是大部分網漁具和養殖設施的基本構件，其水動力性能直接影響漁業生產的效率與安全，水動力性能也成為評價一種網片的重要指標。國內外學者認為網片的水動力性能與雷諾數、網目系數、網片材料、縮結系數等諸多因素有關。有研究者通過對合成纖維網片的大量試驗得到了阻力系數的經驗公式，認為其與流速、流體密度、網目面積和網目系數等相關[7]。Hosseini等[8]對無結節Dyneema網片在沖角變化下的阻力系數進行研究并得到了阻力系數的經驗公式。與電鍍合金、Dyneema等[9-10]其他材料的網片進行對比，許永久等[11-12]研究了雷諾數、網目系數和沖角對無結節尼龍和無結節聚乙烯網片水動力性能的影響，并對不同網目形狀的絞捻和經編網片的水動力系數進行試驗分析。曾啟東等[13]、宋偉華等[14]還對漁網在波浪下的水動力進行了研究。隨著計算機模擬和數學建模的發展，許多學者開始對網片所構成的網箱和漁具等設施的受力和形變進行數值模擬[15-17]。

高分子編結網片是一種以高分子聚乙烯為原材料研發的新型高強度漁用網片，該網片具有高耐磨性、耐海水腐蝕、耐光性和使用壽命長等的特點，并擁有更優良的抗拉伸和抗斷裂性能[6]。由于該網片研發的主要目的在于提高其拉伸和斷裂性能、增加網片強度、延長使用壽命，因而容易忽略其水動力特性對實際生產的影響。本研究設計了模型水槽試驗，對高分子編結網片的水動力特性進行測試，為今后高分子漁用網片的設計改進和應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗水槽

網片試驗在日本東京海洋大學的循環水槽中進行，變速裝置可控制水流速度，水槽尺度為9 m×2.2 m×1.6 m，標準水深1.6 m，可提供的最大流速3 m/s。

1.2 試驗網片

舟山藍鯨漁用材料公司生產的高分子編結網片，是一種材料為聚乙烯的有結網片。所有試驗用網片的面積均為49.5 cm×49.5 cm。網目系數α定義為網線面積占網片總面積的比值，其表達式為：

(1)

式中：α—網目系數；d—網線粗度，cm；a—目腳長度，cm；φ—相鄰目腳夾角的一半，由于試驗網片為方形網目，則φ值統一為45°。使用網目系數方法能夠綜合考慮有無結節和網目形狀，便于將有結網片與無結網片進行比較。

為了更準確地得到和分析試驗數據，將試驗網片分為網線粗度不同的A、B兩組，其中A組網片的網線粗度分別為0.166、0.167、0.165、0.167 cm，B組網片的網線粗度分別為0.190、0.183、0.181、0.180 cm，A組網線粗度小于B組，兩組網片的參數見表1。

表1 試驗網片參數Tab.1 Parameters of netting for test

1.3 試驗方法

為了保證試驗網片的形狀在水流沖擊下保持不變，且能保持張開，用預加張力的方法對網片進行裝配，并將網片固定在框架中。水槽試驗使用的為4根流線型不銹鋼鋼管焊接而成的70 cm×70 cm的框架。根據流體力學原理，當速度較大時物體所受阻力與物體后方產生的渦旋有關，流線型框架能夠降低框架所受阻力，減少尾部渦流和湍流對試驗結果的影響。兩種框架所受的阻力隨流速變化的規律如圖1所示，框架受力隨流速增大而增大，且方形框架所受阻力遠大于流線型框架，當流速變大時，差距尤為明顯。

圖1 兩種框架在不同流速下的阻力Fig.1 Drag of the two frames at different velocity

在流速逐漸增大的工況下，將網目系數0.119的網片分別裝配成方形框架和流線型框架進行試驗，設置試驗水流速度0.6 m/s，試驗結果見表2。與方形框架相比，流線型框架的r值(框架承受阻力占總承受阻力的百分比，即：100%×框架承受力/總阻力)很小，框架對網片整體承受力影響不大。比較結果表明，流線型框架中網片得到的阻力系數普遍小于方形框架，可以認為流線型框架更能夠保證試驗結果的精度。

表2 流線型框架與方形框架試驗數據對比Tab.2 Comparison of test data between streamlined frame and square frame

1.4 試驗數據的獲取

試驗選取水流速度分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2和1.3 m/s，雷諾數的計算公式為：

(2)

式中：v—試驗水流速度，m/s；d—特征長度，m；V—黏滯系數；Re—雷諾數。

通過調節角度控制器，使得網片與水流方向的傾角由0°逐漸增加至90°，每10°為一個間隔。水流速度由專業的流速計測得，數據以頻率20 Hz持續時間20 s的測量獲得，并通過A/D轉換器將模擬信號轉換成數字信號，取平均值，其數據為網片和框架系統所受的總阻力和升力。網片所受阻力和升力為總受力減去相同試驗條件參數下框架所受力來獲得。網片阻力系數的計算公式為：

(3)

式中：CD—阻力系數；D—阻力，N；ρ—流體密度，kg/m3；α—網目系數；S—縮結面積，m2；v—試驗水流速度，m/s。

下面以2017年全國高考北京卷理科的第18題為例，對題目條件相關問題進行了探究，以揭示看似簡單的條件背后的秘密.

本次試驗分別設網片與水流垂直、平行和傾斜3種工況，其裝配方法在圖2中分別標注為a、b、c。在結果分析中，為避免混淆，用CD90表示網片與水流垂直時的阻力系數、CD0網片與水流平行時的阻力系數、CDθ表示網片與水流傾斜時的阻力系數，分別對應圖中a、b、c三種工況，各個工況下的阻力系數均采用公式(3)計算得出。

圖2 試驗裝備設置簡圖Fig.2 Diagram of the test apparatus

2 結果與分析

2.1 阻力系數與雷諾數的關系

2.1.1 網片與水流垂直

在網片與水流方向垂直時，探究網片阻力系數(CD90)與雷諾數的關系。選擇A、B兩組網線粗度相近而α值不同的網片各4片(表1)進行水槽試驗，得到阻力系數與雷諾數(Re)的關系如圖3所示。不同規格的網片均存在CD90隨Re增大而減小的趨勢，在A組網片中，網目系數(α)為0.143、0.119、0.115的試驗網片在1 3001 300以后下降幅度放緩；而在B組網片中，α為0.165的試驗網片在1 3002 200之后CD90趨于平穩。而A組試驗網片全部出現在雷諾數Re過大時阻力系數CD90異常上升的情況。通過觀察，發現這是由于水流速度過大、固定網片的框架發生震動所產生的誤差。同時可以發現，在相同雷諾數下，阻力系數隨著網目系數的增大而增大，因此認為網目系數α對水動力性能產生了不可忽視的影響。

2.1.2 網片與水流平行

在網片與水流方向平行時，阻力系數(CD0)與雷諾數(Re)的關系如圖4所示。A、B兩組試驗網片的CD0變化規律與網片垂直于水流時相似，試驗網片均出現隨著Re增大CD0減小的情況，但減少幅度趨于緩和，最終得到較為穩定的CD0。A組試驗網片在Re>1 300后CD0趨于穩定，而B組試驗網片在Re>1 500后CD0趨于穩定。與網片垂直于水流相同，A、B兩組試驗網片同樣存在因框架發生震動而造成的在Re偏大時，CD0異常增大的現象。在相同Re情況下，CD0隨著網目系數(α)的增大而減小，這與網片與水流垂直工況下的規律相反。所以，當網片平行于水流時，α越大，CD0反而越小。但A組α為0.119、0.115和B組α為0.114、0.110的試驗網片的CD0相近，在α相近時，變化并不符合此規律。

圖3 網片與水流垂直時的阻力系數Fig.3 Drag coefficient of netting normal to water flow

圖4 網片與水流平行時的阻力系數Fig.4 Drag coefficient of netting parallel to water flow

2.1.3 網片與水流存在傾角

2.2 阻力系數的計算

當試驗網片與水流方向垂直和平行兩種工況時，根據水槽試驗所得到的數據，通過非線性最小二乘法，得到網片阻力系數(CD90，CD0)的經驗公式：

CD90=3.31α0.24Re-0.04(700≤Re≤6 000)

(4)

(5)

圖5 存在傾角時的阻力系數Fig.5 Drag coefficient of netting inclined to water flow

當網片與水流方向呈一定沖角時，CDθ與沖角有關，根據田內理論，網片的CDθ應該與CD90和CD0有關。此外，通過觀察，α值的大小也在一定程度上影響著阻力系數的確定。故本文對試驗數據通過非線性最小二乘法，得到沖角變化下阻力系數的計算公式：

CDθ=CD90sinθ+9.81α(CD0-0.26sinθ)cos2θ

(6)

式中：CD90—網片與水流垂直時的阻力系數；CD0—網片與水流平行時的阻力系數；CDθ—網片與水流傾斜時的阻力系數；α—網目系數；θ—傾角。

2.3 升阻力系數比

升阻力系數比(K)反映了網片的氣動效率，K值越大，則說明其流體動力性能越好，表現了網片的流體力學特性。K與傾角的關系如圖6所示。K在總體上有隨傾角變大而先變大再變小的趨勢，在0°到10°范圍內，K值迅速增大，而在30°到90°范圍內，K值呈平穩減小趨勢。在不同的速度下，各網片的K的極值均出現在20°到30°內，最大K值約為0.41。K基本符合隨著流速增大而增大的規律，但在10°到20°范圍內，v=1.2 m/s的網片，其K值反而比v=0.8 m/s和v=1.0 m/s時小，分析原因可能是流速過大對試驗結果產生了誤差。

圖6 升阻力系數比與傾角的關系Fig.6 The relationship between lift-drag ratio and inclined angle

3 討論

3.1 經驗公式的比較

很多學者都對網片的水動力進行過研究并得出了經驗公式。其中Tang等[9]和Tsukrov等[19]所試驗的無結網片，Hosseini等[8]和Balash等[18]則試驗了有結網片。公式的變量包括網目系數、雷諾數和傾角(表3)。

表3 網片阻力系數經驗公式Tab.3 Formulas for the drag coefficient of netting

在取相同網目系數的條件下，使用不同經驗公式，得到網片與水流垂直工況下的阻力系數的計算值。本試驗與Tang等[9]、Balash等[18]一樣都綜合考慮了網目系數和雷諾數對阻力系數的影響，而本試驗經驗公式對阻力系數的預測值高于后兩者的研究結果，可能是因為本試驗網片為編結結構，相對于無結網片，容易得到更大的阻力系數；而Hoesseini等[8]和Tsukrov等[19]只研究了雷諾數對阻力系數的影響，但兩者經驗公式的預測結果相差較大，這可能與試驗條件、網片材料和網片結構有關。

網片與水流平行工況下的阻力系數計算值如圖7所示。由于Balash等[18]和Tsukrov等[19]的經驗公式沒有討論沖角對阻力系數的影響，所以沒有對比上述兩項公式。本試驗經驗公式的預測值高于Tang等[9]和Hosseini等[8]的結果，除了試驗條件和網片材料的影響外，網片的編結結構和框架的抖動也可能影響經驗公式的準確性。

圖7 阻力系數計算值的比較Fig.7 Contrast of drag coefficient calculated value

3.2 網目系數對阻力系數的影響

試驗結果表明，阻力系數會隨著雷諾數的增加而減小，這與單根的圓柱體阻力系數變化規律相同，但網片的阻力系數卻大于圓柱體，說明網目之間的作用對阻力系數造成了影響。詹杰民等[20]的研究表明，在網片與水流垂直時，線面積系數越大，網片的阻力系數也就越大。虞聰達等[21]研究(d/a)值對平面網片阻力的影響表明，網片阻力與d/a值大致成冪函數關系，其實質為d/a值的增大導致了線面積的增大，從而使阻力變大。王爾光等[22]研究平面網片與水流平行時阻力系數的影響因素，認為阻力系數只與d/a值和縮結角有關，當縮結角一定時，則d/a值越大阻力系數越小。為了探究網目間的相互作用對阻力系數的影響，將網目系數與阻力系數的關系進行擬合，結果如圖8所示。本試驗結果表明，在網片與水流垂直時，阻力系數隨網目系數的增大而發生輕微波動，但總體上呈上升趨勢；在網片與水流平行時，阻力系數隨著網目系數的增大而減小，實質上與王爾光等[22]的結論類似。很多研究結果都證實了網目系數的雙重影響確實存在，原因可能是由于網片在水流中都會受到附壁效應的影響，即水流在流過網線時，水流會沿著網線凸起的方向流動，從而使得水流速度減小，進而減小網片所受的阻力。附壁效應的影響會隨著網片與水流的傾角減小而增大，當網片與水流平行時，該效應達到最大。

圖8 網目系數與阻力系數的關系Fig.8 The relationship between solidity ratio and drag coefficient

3.3 網線粗度對阻力系數的影響

值得注意的是，即便網目系數相近的兩片網片因網線粗度不同，其阻力系數也會有所差異，可以認為網線的粗度對阻力系數也產生了影響。網線粗度(d)分別為0.165 cm和0.183 cm的網片，其網目系數分別為0.115和0.114，可近似認為網目系數相同，其阻力系數變化如圖9所示。若網片與水流垂直，當雷諾數較小時，網線較細網片的阻力系數更大；當雷諾數較大時，網線較粗的網片阻力系數更大。當雷諾數處于1 000

圖9 不同網線粗度網片的阻力系數Fig.9 Drag coefficient of netting with different wire thickness

4 結論

研究了高分子編結網片在不同水流速度和不同傾角下的水動力性能，以探究該網片的阻力系數與雷諾數和網目系數等因素的關系。試驗結果顯示，該網片的阻力系數會隨著雷諾數的增大而減小并最終趨于穩定；在網片與水流垂直時，阻力系數總體上有隨網目系數增大而增大的趨勢，但網片與水流平行時，網目系數越大，阻力系數反而越小，這種雙重效應在前人的試驗中同樣存在。根據試驗數據，擬合了包含了網目系數和雷諾數的阻力系數經驗公式，與其他材料和結構的網片相比，高分子編結網片的阻力系數始終偏大。考慮該網片是為了提高強度以適用于海況更加復雜、風浪更大的海域，因此可能忽略了水動力性能的影響，在海洋漁業生產中可能會產生較大的能耗。由于該網片強度高，可以考慮通過減小網線粗度來減小阻力系數。