流场底部效应与沙幕效应对底拖网网板水动力性能的影响分析

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随着我国渔业的不断发展,渔具的改良和稳定已然是我们需要优先考虑和需要解决的点,底拖网网板作为拖网系统中重要的属具,其水动力性能的好坏直接影响着网板的水平与垂直扩张性强弱,改变拖网网口的扩张程度,进而影响渔船拖网作业性能及其渔获效率和经济效益。底拖网板在作业过程中会受到流场底部效应与沙幕效应的影响,增加渔船的功耗量,提高拖网作业的成本,然而这些影响往往被忽视。因此针对流场底部效应与沙幕效应对底拖网板水动力性能影响的研究对底拖网性能的改良对渔业资源的保护与可持续利用具有深远的意义。CFD数值模拟是计算网板水动力性能的重要方法,然而现阶段的研究对于网板水动力性能的研究大多忽略了底部效应和沙幕效应,该研究以矩形曲面网板和椭圆曲面网板为研究对象,利用CFD数值模拟方法计算出矩形、椭圆形曲面网板的水动力性能,利用后处理软件分别对两块网板周围流场进行可视化分析,为改进和优化网板提供科学有效的参考。本文一共包含6章:第一章为绪论,主要介绍了课题的研究背景及意义、国内外研究现状和本文的研究内容。第二章介绍了材料与方法,数值计算方法,计算工况设置,两种网板模型以及计算模型参数设置包括参数的定义、湍流模型的选择等。此外还介绍了试验研究方法。第三章介绍了数值模型有效性验证,验证了CFD数值模拟矩形曲面网板与椭圆形曲面网板水动力特性的有效性,为之后的研究提供了方法。第四、五章研究了流场底部效应与沙幕效应对底拖网网板对水动力性能的影响分析,通过改变网板的迎流冲角、距离底部高度以及流场底部的固体颗粒浓度等参数计算网板水动力性能,根据计算结果与后处理得到的可视化流场图研究其变化及流场底部边界效应和周围流体介质对网板水动力性能的影响规律;得到的主要结果如下:(1)底拖网板的升、阻力系数始终大于中层网板的升、阻力系数。随着冲角的逐渐增大,升力系数的变化趋势是先增加后减小,最大升力系数的迎流冲角均在40°左右;阻力系数随着冲角的增大而逐渐增大;升阻比随着冲角的逐渐增大,变化趋势是先增加后减小,最佳升阻比的迎流冲角均在10°左右。在小冲角(0°~30°)时,底拖网网板的升阻比始终大于中层网板的升阻比,在迎流冲角大于30°之后趋于相同。因此在小冲角范围内(0°~20°),底部效应降低了网板的水动力性能。结合压力云图和流线图发现网板在大冲角时形成大量的涡,在大冲角时影响网板水动力性能的主要原因是涡,大而复杂的涡让底部效应变得不明显。因此,在网板正常作业的冲角范围内,流场底部边界效应对于底拖网网板水动力性能的影响不能忽略,矩形、椭圆形曲面网板在底层水动力性能大于其在中层时水动力性能,能保持较高的扩张性能。(2)网板底部距离流场底部高度超过1000 mm时,升阻比趋于稳定。网板的最佳升阻比在网板底部距离流场地面边界无量纲高度超过0.4之后趋于稳定,流场底部边界效应对网板水动力性能的影响基本可以忽略。无量纲高度低于0.4时,底部边界效应会对底拖网网板水动力性能产生影响,底部效应对网板水动力性能的影响随着无量纲比值的减小而更加显著,这更加验证了矩形、椭圆形曲面网板在底层水动力性能大于其在中层时水动力性能,其更适用于底拖网。同时随着高度的变化最佳冲角并没有发生变化,这也说明了底部效应对最佳冲角的影响并不显著。(3)两种网板的最佳冲角与最大升力系数随着距离底部高度与水沙混合物浓度的改变并没有发生变化,这也说明了底部效应与沙幕效应对最佳冲角的影响并不显著。(4)在迎流冲角较大(30°~50°)时,沙幕效应会加大底拖网网板的升、阻力系数,而在迎流冲角较小(0°~30°)时,沙幕效应对升、阻力系数的影响并不明显。而对网板升阻比的影响始终存在,在小冲角(0°~30°)时,沙幕效应使底拖网网板的升阻比减小,在大冲角(30°~50°)时则相反,沙幕效应使底拖网网板的升阻比增大。因此,在网板正常作业的冲角范围内,沙幕效应降低了底拖网网板的水动力性能,但在较大的冲角范围内则能使网板保持较高的扩张效能。(5)当网板处于水沙混合物中,其最佳升阻比相较纯水介质有明显的下降趋势,当水沙混合物浓度较低时,沙幕效应开始出现,但其对网板升阻比影响相对较小。随着水沙混合物浓度的增加,网板的升阻比开始降低,知道浓度达到0.02时,升阻比下降的趋势有所降低。在浓度大于0.02后的一定范围内,水沙混合物浓度的增加不会对网板的升阻比产生较大影响。总的来说,沙幕效应显著的降低了底拖网网板的水动力性能,在水沙混合物浓度达到0.02时,升阻比的变化趋于平稳。
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