高分子编结网片水动力特性水槽试验研究

薄佳男，林 可，马家志，胡夫祥，董书闯，尤鑫星，高 敏，宋伟华

(1浙江海洋大学水产学院，浙江省海洋渔业装备技术研究重点试验室，浙江 舟山 316000；2日本东京海洋大学，日本 东京 1080075)

随着纤维材料生产工艺的发展，渔用材料已经从棉制纤维转变为聚乙烯、尼龙、涤纶等合成纤维材料，大大提高了生产效率[1-2]。而近些年来渔业生产开始向着海况更加复杂的海域发展，又对渔用材料的强度、抗风浪能力等性能和制作工艺提出了更高的要求，因此对渔用高强度网片的研究愈发迫切。石建高等[3-7]将渔用高强度聚乙烯网片与普通聚乙烯编织线、普通聚乙烯六角形经编网片、普通聚乙烯绞捻网片等的断裂强力和拉伸性能等物理性能进行了研究，发现高强度网片因其具有的高强拉伸力学性能优势，可提高渔业生产效率和降低原材料消耗，为实现渔具和网箱大型化提供条件。

网片是大部分网渔具和养殖设施的基本构件，其水动力性能直接影响渔业生产的效率与安全，水动力性能也成为评价一种网片的重要指标。国内外学者认为网片的水动力性能与雷诺数、网目系数、网片材料、缩结系数等诸多因素有关。有研究者通过对合成纤维网片的大量试验得到了阻力系数的经验公式，认为其与流速、流体密度、网目面积和网目系数等相关[7]。Hosseini等[8]对无结节Dyneema网片在冲角变化下的阻力系数进行研究并得到了阻力系数的经验公式。与电镀合金、Dyneema等[9-10]其他材料的网片进行对比，许永久等[11-12]研究了雷诺数、网目系数和冲角对无结节尼龙和无结节聚乙烯网片水动力性能的影响，并对不同网目形状的绞捻和经编网片的水动力系数进行试验分析。曾启东等[13]、宋伟华等[14]还对渔网在波浪下的水动力进行了研究。随着计算机模拟和数学建模的发展，许多学者开始对网片所构成的网箱和渔具等设施的受力和形变进行数值模拟[15-17]。

高分子编结网片是一种以高分子聚乙烯为原材料研发的新型高强度渔用网片，该网片具有高耐磨性、耐海水腐蚀、耐光性和使用寿命长等的特点，并拥有更优良的抗拉伸和抗断裂性能[6]。由于该网片研发的主要目的在于提高其拉伸和断裂性能、增加网片强度、延长使用寿命，因而容易忽略其水动力特性对实际生产的影响。本研究设计了模型水槽试验，对高分子编结网片的水动力特性进行测试，为今后高分子渔用网片的设计改进和应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验水槽

网片试验在日本东京海洋大学的循环水槽中进行，变速装置可控制水流速度，水槽尺度为9 m×2.2 m×1.6 m，标准水深1.6 m，可提供的最大流速3 m/s。

1.2 试验网片

舟山蓝鲸渔用材料公司生产的高分子编结网片，是一种材料为聚乙烯的有结网片。所有试验用网片的面积均为49.5 cm×49.5 cm。网目系数α定义为网线面积占网片总面积的比值，其表达式为：

(1)

式中：α—网目系数；d—网线粗度，cm；a—目脚长度，cm；φ—相邻目脚夹角的一半，由于试验网片为方形网目，则φ值统一为45°。使用网目系数方法能够综合考虑有无结节和网目形状，便于将有结网片与无结网片进行比较。

为了更准确地得到和分析试验数据，将试验网片分为网线粗度不同的A、B两组，其中A组网片的网线粗度分别为0.166、0.167、0.165、0.167 cm，B组网片的网线粗度分别为0.190、0.183、0.181、0.180 cm，A组网线粗度小于B组，两组网片的参数见表1。

表1 试验网片参数Tab.1 Parameters of netting for test

1.3 试验方法

为了保证试验网片的形状在水流冲击下保持不变，且能保持张开，用预加张力的方法对网片进行装配，并将网片固定在框架中。水槽试验使用的为4根流线型不锈钢钢管焊接而成的70 cm×70 cm的框架。根据流体力学原理，当速度较大时物体所受阻力与物体后方产生的涡旋有关，流线型框架能够降低框架所受阻力，减少尾部涡流和湍流对试验结果的影响。两种框架所受的阻力随流速变化的规律如图1所示，框架受力随流速增大而增大，且方形框架所受阻力远大于流线型框架，当流速变大时，差距尤为明显。

图1 两种框架在不同流速下的阻力Fig.1 Drag of the two frames at different velocity

在流速逐渐增大的工况下，将网目系数0.119的网片分别装配成方形框架和流线型框架进行试验，设置试验水流速度0.6 m/s，试验结果见表2。与方形框架相比，流线型框架的r值(框架承受阻力占总承受阻力的百分比，即：100%×框架承受力/总阻力)很小，框架对网片整体承受力影响不大。比较结果表明，流线型框架中网片得到的阻力系数普遍小于方形框架，可以认为流线型框架更能够保证试验结果的精度。

表2 流线型框架与方形框架试验数据对比Tab.2 Comparison of test data between streamlined frame and square frame

1.4 试验数据的获取

试验选取水流速度分别为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，雷诺数的计算公式为：

(2)

式中：v—试验水流速度，m/s；d—特征长度，m；V—黏滞系数；Re—雷诺数。

通过调节角度控制器，使得网片与水流方向的倾角由0°逐渐增加至90°，每10°为一个间隔。水流速度由专业的流速计测得，数据以频率20 Hz持续时间20 s的测量获得，并通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，取平均值，其数据为网片和框架系统所受的总阻力和升力。网片所受阻力和升力为总受力减去相同试验条件参数下框架所受力来获得。网片阻力系数的计算公式为：

(3)

式中：CD—阻力系数；D—阻力，N；ρ—流体密度，kg/m3；α—网目系数；S—缩结面积，m2；v—试验水流速度，m/s。

下面以2017年全国高考北京卷理科的第18题为例，对题目条件相关问题进行了探究，以揭示看似简单的条件背后的秘密.

本次试验分别设网片与水流垂直、平行和倾斜3种工况，其装配方法在图2中分别标注为a、b、c。在结果分析中，为避免混淆，用CD90表示网片与水流垂直时的阻力系数、CD0网片与水流平行时的阻力系数、CDθ表示网片与水流倾斜时的阻力系数，分别对应图中a、b、c三种工况，各个工况下的阻力系数均采用公式(3)计算得出。

图2 试验装备设置简图Fig.2 Diagram of the test apparatus

2 结果与分析

2.1 阻力系数与雷诺数的关系

2.1.1 网片与水流垂直

在网片与水流方向垂直时，探究网片阻力系数(CD90)与雷诺数的关系。选择A、B两组网线粗度相近而α值不同的网片各4片(表1)进行水槽试验，得到阻力系数与雷诺数(Re)的关系如图3所示。不同规格的网片均存在CD90随Re增大而减小的趋势，在A组网片中，网目系数(α)为0.143、0.119、0.115的试验网片在1 3001 300以后下降幅度放缓；而在B组网片中，α为0.165的试验网片在1 3002 200之后CD90趋于平稳。而A组试验网片全部出现在雷诺数Re过大时阻力系数CD90异常上升的情况。通过观察，发现这是由于水流速度过大、固定网片的框架发生震动所产生的误差。同时可以发现，在相同雷诺数下，阻力系数随着网目系数的增大而增大，因此认为网目系数α对水动力性能产生了不可忽视的影响。

2.1.2 网片与水流平行

在网片与水流方向平行时，阻力系数(CD0)与雷诺数(Re)的关系如图4所示。A、B两组试验网片的CD0变化规律与网片垂直于水流时相似，试验网片均出现随着Re增大CD0减小的情况，但减少幅度趋于缓和，最终得到较为稳定的CD0。A组试验网片在Re>1 300后CD0趋于稳定，而B组试验网片在Re>1 500后CD0趋于稳定。与网片垂直于水流相同，A、B两组试验网片同样存在因框架发生震动而造成的在Re偏大时，CD0异常增大的现象。在相同Re情况下，CD0随着网目系数(α)的增大而减小，这与网片与水流垂直工况下的规律相反。所以，当网片平行于水流时，α越大，CD0反而越小。但A组α为0.119、0.115和B组α为0.114、0.110的试验网片的CD0相近，在α相近时，变化并不符合此规律。

图3 网片与水流垂直时的阻力系数Fig.3 Drag coefficient of netting normal to water flow

图4 网片与水流平行时的阻力系数Fig.4 Drag coefficient of netting parallel to water flow

2.1.3 网片与水流存在倾角

2.2 阻力系数的计算

当试验网片与水流方向垂直和平行两种工况时，根据水槽试验所得到的数据，通过非线性最小二乘法，得到网片阻力系数(CD90，CD0)的经验公式：

CD90=3.31α0.24Re-0.04(700≤Re≤6 000)

(4)

(5)

图5 存在倾角时的阻力系数Fig.5 Drag coefficient of netting inclined to water flow

当网片与水流方向呈一定冲角时，CDθ与冲角有关，根据田内理论，网片的CDθ应该与CD90和CD0有关。此外，通过观察，α值的大小也在一定程度上影响着阻力系数的确定。故本文对试验数据通过非线性最小二乘法，得到冲角变化下阻力系数的计算公式：

CDθ=CD90sinθ+9.81α(CD0-0.26sinθ)cos2θ

(6)

式中：CD90—网片与水流垂直时的阻力系数；CD0—网片与水流平行时的阻力系数；CDθ—网片与水流倾斜时的阻力系数；α—网目系数；θ—倾角。

2.3 升阻力系数比

升阻力系数比(K)反映了网片的气动效率，K值越大，则说明其流体动力性能越好，表现了网片的流体力学特性。K与倾角的关系如图6所示。K在总体上有随倾角变大而先变大再变小的趋势，在0°到10°范围内，K值迅速增大，而在30°到90°范围内，K值呈平稳减小趋势。在不同的速度下，各网片的K的极值均出现在20°到30°内，最大K值约为0.41。K基本符合随着流速增大而增大的规律，但在10°到20°范围内，v=1.2 m/s的网片，其K值反而比v=0.8 m/s和v=1.0 m/s时小，分析原因可能是流速过大对试验结果产生了误差。

图6 升阻力系数比与倾角的关系Fig.6 The relationship between lift-drag ratio and inclined angle

3 讨论

3.1 经验公式的比较

很多学者都对网片的水动力进行过研究并得出了经验公式。其中Tang等[9]和Tsukrov等[19]所试验的无结网片，Hosseini等[8]和Balash等[18]则试验了有结网片。公式的变量包括网目系数、雷诺数和倾角(表3)。

表3 网片阻力系数经验公式Tab.3 Formulas for the drag coefficient of netting

在取相同网目系数的条件下，使用不同经验公式，得到网片与水流垂直工况下的阻力系数的计算值。本试验与Tang等[9]、Balash等[18]一样都综合考虑了网目系数和雷诺数对阻力系数的影响，而本试验经验公式对阻力系数的预测值高于后两者的研究结果，可能是因为本试验网片为编结结构，相对于无结网片，容易得到更大的阻力系数；而Hoesseini等[8]和Tsukrov等[19]只研究了雷诺数对阻力系数的影响，但两者经验公式的预测结果相差较大，这可能与试验条件、网片材料和网片结构有关。

网片与水流平行工况下的阻力系数计算值如图7所示。由于Balash等[18]和Tsukrov等[19]的经验公式没有讨论冲角对阻力系数的影响，所以没有对比上述两项公式。本试验经验公式的预测值高于Tang等[9]和Hosseini等[8]的结果，除了试验条件和网片材料的影响外，网片的编结结构和框架的抖动也可能影响经验公式的准确性。

图7 阻力系数计算值的比较Fig.7 Contrast of drag coefficient calculated value

3.2 网目系数对阻力系数的影响

试验结果表明，阻力系数会随着雷诺数的增加而减小，这与单根的圆柱体阻力系数变化规律相同，但网片的阻力系数却大于圆柱体，说明网目之间的作用对阻力系数造成了影响。詹杰民等[20]的研究表明，在网片与水流垂直时，线面积系数越大，网片的阻力系数也就越大。虞聪达等[21]研究(d/a)值对平面网片阻力的影响表明，网片阻力与d/a值大致成幂函数关系，其实质为d/a值的增大导致了线面积的增大，从而使阻力变大。王尔光等[22]研究平面网片与水流平行时阻力系数的影响因素，认为阻力系数只与d/a值和缩结角有关，当缩结角一定时，则d/a值越大阻力系数越小。为了探究网目间的相互作用对阻力系数的影响，将网目系数与阻力系数的关系进行拟合，结果如图8所示。本试验结果表明，在网片与水流垂直时，阻力系数随网目系数的增大而发生轻微波动，但总体上呈上升趋势；在网片与水流平行时，阻力系数随着网目系数的增大而减小，实质上与王尔光等[22]的结论类似。很多研究结果都证实了网目系数的双重影响确实存在，原因可能是由于网片在水流中都会受到附壁效应的影响，即水流在流过网线时，水流会沿着网线凸起的方向流动，从而使得水流速度减小，进而减小网片所受的阻力。附壁效应的影响会随着网片与水流的倾角减小而增大，当网片与水流平行时，该效应达到最大。

图8 网目系数与阻力系数的关系Fig.8 The relationship between solidity ratio and drag coefficient

3.3 网线粗度对阻力系数的影响

值得注意的是，即便网目系数相近的两片网片因网线粗度不同，其阻力系数也会有所差异，可以认为网线的粗度对阻力系数也产生了影响。网线粗度(d)分别为0.165 cm和0.183 cm的网片，其网目系数分别为0.115和0.114，可近似认为网目系数相同，其阻力系数变化如图9所示。若网片与水流垂直，当雷诺数较小时，网线较细网片的阻力系数更大；当雷诺数较大时，网线较粗的网片阻力系数更大。当雷诺数处于1 000

图9 不同网线粗度网片的阻力系数Fig.9 Drag coefficient of netting with different wire thickness

4 结论

研究了高分子编结网片在不同水流速度和不同倾角下的水动力性能，以探究该网片的阻力系数与雷诺数和网目系数等因素的关系。试验结果显示，该网片的阻力系数会随着雷诺数的增大而减小并最终趋于稳定；在网片与水流垂直时，阻力系数总体上有随网目系数增大而增大的趋势，但网片与水流平行时，网目系数越大，阻力系数反而越小，这种双重效应在前人的试验中同样存在。根据试验数据，拟合了包含了网目系数和雷诺数的阻力系数经验公式，与其他材料和结构的网片相比，高分子编结网片的阻力系数始终偏大。考虑该网片是为了提高强度以适用于海况更加复杂、风浪更大的海域，因此可能忽略了水动力性能的影响，在海洋渔业生产中可能会产生较大的能耗。由于该网片强度高，可以考虑通过减小网线粗度来减小阻力系数。