第三章 网片的水动力.docx
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第三章网片的水动力
第三章网片的水动力
在当前的渔业生产中,网渔具占有非常重要的地位,例如拖网、围网、流刺网以及定置网等都是由大量的网衣和一些属具构成的。
在设计渔具的网衣是柔性体,在外力的作用下形状会发生变化,而形状的变化又会影响作用力的分布、形状和作用力相互影响。
只有当诸作用力达到平衡时,网衣才处于相对稳定状态,保持一定的形状。
因此,作用在网片上的水动力与网渔具形状之间的关系是研究渔具力学的重要课题;此外,为了降低能源的消耗,特别像拖网类渔具,必须计算网具的总阻力和分析影响阻力的有关因素;为了合理选用材料,尚需研究网具各部分受力情况。
为此,有必要研究网衣的水动力性能。
网渔具的水动力性能的研究与流体力学、弹性力学等学科有密切联系,但是至今无论在理论上,还是实验上还存在很多困难,在研究方法上还不完善。
目前研究方法一般从局部的一段网片或从一个网目着手研究,而后推算出整顶网具的受力和阻力。
也可从整顶网具的几何形状、阻力和外力系统的关系来研究。
3.1平面网片的水动力
在网具研究中,平面网片的水动力的分析和实验,相对地比较简单,但这计算和设计网具的基础。
通常的研究方法是,通过数学力学的理论分析,提出假设,再依靠水槽、风洞或在天然水域里进行实验,取得数据,验证理论假设的正确性和进行修正,藉以为设计计算提供理论依据和经验参数。
3.1.1阻力公式的一般形式
由前章分析可知,在水中的潜体受到的阻力主要不得表面摩擦力和形状阻力。
由因次分析得其阻力公式形式为:
(3.1.1)
Cx=f(Re,m/n)
式中S--特征面积,m2;
m/n--特征长度之比,无量纲;
Re--雷诺数,无量纲;
Cx--阻力系数,无量纲;
V--网片和水流相对速度,m/s;
ρ--水的密度,kg/m3;
R--阻力,N。
在渔具计算中,也有用kx代替
Cxρ,并也称kx为阻力系数。
这里kx是有量纲的,单位是kg/m3。
故阻力公式有以下形式:
Rx=kxSV2(3.1.2)
3.1.2特征面积和有效直径
在一般公式中,特征面积S是指不包括结节影响的线面积,如图所示,即
或:
(3.1.3)
式中M--网片顶部横向目数;
N--网片底部横向目数;
H--网片纵向目数;
L--网片拉紧长工度,m;
D--网线直径,mm;
a--网目目脚长,mm;网目尺尺寸指2a;
Ss--网片线面积,m2。
在有些场合下应该考虑到结节的面积,如图所示,特别是在网线较粗、而网目尺寸较小时,线面积的计算应考虑结节的大小。
线面积公式为:
(3.1.4)
式中dk--结节直径,mm;
Sks--考虑结节影响的线面积,m2。
dk/d=3~3.3。
也有取dk/d=π。
由上式可知(Sks-Ss)/Ss=0.9765×d/a,这是两种线面积计算方法下的相对误差。
在线面积的计算中,网线的直径d是一个影响较大的量。
渔业生产和网厂从使用的角度出发,一般给出的网线直径是从纱线的支数(N)或台克斯(tex)等推算得。
例如:
(3.1.5)
式中K--系数;
d--网线直径,mm;
N--纱的支数;
n--构成网线的纱总根数。
也有用
(3.1.6)
线形
A
B
C
尼龙线
570
5135
1.325
聚乙烯捻线
541
-
1.360
聚乙烯辫编线
321
-
1.765
聚脂辫编线
667
-
1.224
式中Rtex--综合线密度,km/g;表3-1
D--旦尼尔,9000m长时的克重;
N--纱的根数;
A、C--系数;
不同种类网线的系数A、C、K值如表3-1所示。
系数A、C、K随不同生产制造工艺而有所变动。
一般渔具材料工艺书中提出网线的理论直径(有效直径)d是网线横向截面的最大尺寸Dmax和最小尺寸Dmin的平均值,即
d=(Dmax+Dmin)/2(3.1.7)
但是在实际测量中,由于网线是具有捻纹,在这一侧的最小直径处,对应一侧并不处在最小值。
这给测量带来困难。
见图3-1-2。
为了更好地反应网线的水动力性能,建议使用以下计算方法。
d=
(3.1.8)
d1和d2是方向垂直的二次直径测量值,在意义上它们相当于一个椭圆截面的长短轴,而d为有效直径。
在研究工作中,对网线直径有较高的精度要求。
它涉及到阻力计算,模型网的换算制作等。
故在直径测量上除了采用棒绕法,建议采用光学方法测量。
3.1.3速度与网片的过水断面
在研究网片的阻力时,一般是用来流速度V来代入阻力公式进行计算。
但是在详细研究网片周围的流态时,由于网线的存在使过水断面有所减小,见图。
因为一个网目的缩结面积为4a2ETEn,ET和En为缩结系数。
而一个网目中网线的线面积为(4(a-dk)d+πdk2/2),假设比例数Sck为
Sck=(4(a-dk)d+πdk2/2)/(4a2ETEn)
即
(3.1.9)
根据连续性方程,则水流穿过网目时,由于过水断面缩小,则流速应升高为Ve,则有
(3.1.10)
式中Ve--考虑到网片的线面积系数Sc时的流速,m/s;
Sck--线面积系数(计入结节影响)
阻力公式可写为:
(3.1.11)
3.1.4平面网片的阻力系数
为了掌握影响网片的水动力的各种因素以及相互之间的关系,有关学者做了大量的实验和分析。
通常的方法是提出一些假设,在这些假设的基础上进行理论分析,得到一些推论。
将这些推论与实验数据相比较,验证理论分析的正确性,并对假设进行修正。
由此可见,在渔具理论研究中,实验及其实验手段是非常重要的环节。
由于实验条件不一,获得的实验结果也不一致。
目前有关网片水动力分析的理论假说有许多,具有代表性的有以下几种,以供参考。
3.1.4.1日本学者田内(Tauti)理论假说
日本学者田内森三郎曾对作用在网片上的水动力进行了分析。
首先是做了三点假设:
①网片在水中运动时,作用在每个网目的目脚和结节上的水动力是彼此独立,互不相关;②作用在每个目脚上的力是在目脚和网片运动方向所组成的平面中,而且与目脚相垂直;③作用在网目上的力的大小是与目脚投影在水流垂直方向的面积成正比。
设一网目在坐标系XYZ中如图所示,O点是结节的中心点,OA和OB是结节的2个目脚,取OA和OB交角的平分线为OX轴;与OX轴相垂直,并且在2个目脚所组成平面内的为OY轴;与XOY平面相垂直的是OZ轴。
若AOB角是2φ;则目脚OA的方向余弦为(cosφ,sinφ,0),OB的方向余弦为(cosφ,sinφ,0)。
来流V的方向为OC,其方向余弦为(l,m,n),设∠AOC=θˊ和∠BOC=θ″,则
cosθ′=lcosφ+msinφ
cosθ″=lcosφ-msinφ(3.1.12)
根据假设③,作用在网目目脚OA和OB上的水动力的大小是与它们在垂直来流平面里投影成正比,则有:
ROA=k·a·d·sinθ′·V2
TOB=k·a·d·sinθ″·V2(3.1.13)
式中k=ρCN/2;
CN--网线垂直方向阻力系数;
a--目脚长;
d--网线直径;
ρ--水的密度。
故有:
(3.1.14)
如果作用在OA上的分力的方向余弦为(λ,μ,υ),由假设②可知,分力、目脚和来流应同在一个平面中,即三点共面,则需满足:
(3.1.15)
又因为分力ROA应垂直与目脚OA,所以有:
λcosφ+μsinφ=0(3.1.16)
展开上两方程式,得:
(3.1.17)
(3.1.18)
代入后得:
整理后有:
与(3.1.18)式相比较,则有:
λ:
μ:
υ=sinφ:
-cosφ:
(3.1.19)
式(3.1.19)中,λ2+μ2+υ2=1,设:
sin2φ+(-cosφ)2+
=M2(3.1.20)
则展开后有:
(3.1.21)
则:
(3.1.22)
同理,可推得目脚OB上作用力ROB的方向余弦为(以-sinφ代替sinφ)
(3.1.23)
由于目脚OA和OB等组成的缩结面积为4a2ETEn,即2a2sin2φ,而kx,ky,kz为作用力在网目上的水动力在X、Y、Z轴方向分力的阻力系数,则在X轴方向的分力为
Rx=kx·2a2sin2φV2(3.1.24)
式中kx=Cx·ρ
在从网目的线面积来分析,根据假设③,则目脚OA和BD的线面积在来流方向的投影面积为2ad·sinθ´,而目脚OB和AD的为2ad·sinθ″。
根据假设②,作用力垂直与目脚,则在X方向投影为:
Rx=k·2ad(sinθ′·λ+sinθ″·λ′)V2(3.1.25)
则(3.1.24)和(3.1.25)相等同,有:
(3.1.26)
将式3.1.21,3.1.22,3.1.23整理代入后有:
进一步整理后有:
(3.1.27)
同理可证:
Ry=ky·2a2sin2φV2=k·2ad(sinθˊ·μ+sinθ″·μ′)V2
Rz=ky·2a2sin2φV2=k·2ad(sinθ′·υ+sinθ″·υ′)V2
代入整理得:
(3.1.28)
如果考虑结节的阻力,并根据假设①认为结节阻力与目脚阻力是彼此独立,则需分别计算。
由公式(3.1.9)可知线面积系数为:
(3.1.29)
与公式(3.1.28)相比较可知,第一项相当于不考虑结节时的线面积系数,它与d/a成正比。
第二项为结节引起的线面积系数,它与(d/a)2成正比。
假设fx,fy,fz是水流与坐标轴之间的相对方向而定的结节阻力系数,则有
(3.1.30)
公式(3.1.30)为网目水动力在X、Y、Z轴上分力的水动力系数,按习惯,如果X轴与来流同向,则分别称为阻力系数、侧向力系数和升力系数,亦有统称为阻力系数。
由此可知,需由实验确定k、fx、fy和fz,才可得到网片的水动力系数。
如果,网片在水流中呈理想的平面,则目水动力系数及起相关的系数均可看成网片的水动力系数和阻力系数。
讨论:
1.如果来流在平面网片的垂直平面中,冲角为α,则:
故
2.因为总水动力系数
,kα与来流方向V的夹角为α,则在来流方向上的阻力系数为kD。
kD=kα·cosα=l·kx+m·ky+n·kz
在不考虑结节影响时:
(3.1.31)
考虑结节影响时,则可推得:
fα=fx·l+fy·m+fz·n(3.1.32)
式中fα--冲角α角时结节的阻力系数。
3.α=90°和0°时,网片阻力系数
(3.1.33)
4.当不计结节影响时,则将(3.1.33)式代入(3.1.31),即有:
kD=(KD90-kD0)sin2α+kD0(3.1.34)
则:
Cα=(CD90-CD0)sin2α+CD0(3.1.35)
式中Cα--网片与水流成冲角α时阻力系数;
CD90--冲角为900时网片阻力系数;
CD0--冲角为00时网片阻力系数。
由方程(3.1.35)可知,平面网片在均匀水流中的阻力系数Cα与冲角α的正弦平方成比。
如果将来流方向作为X轴,则有CX=(CD90-CD0)sin2α+CD0。
计算阻力时网目面积是指网片线面积。
为了计算方便,用CX=(CD90-CD0)α/90+CD0代替,最大误差为20%,见图。
图中还有学者今井健彦和克鲁的计算值(见后节),基本相似,最大偏差为5%。
3.1.4.2日本学者宫本秀明(Miyamoto)理论假说
日本学者宫本秀明等对不同类型的拖网网片阻力进行了实测。
冲角α=900,缩结系数sinφ=0.707,即φ=450。
则式(3.1.33)为:
设:
(3.1.36)
由实验测得数据如表3-2所示。
网片的目脚阻力系数基本为一常数,而结节阻力系数随结节类型不同而变化。
表3-2
网片的种类
K1
K2
无结节
172
3700
活节
170
4330
死节
168
4750
3.1.4.3英国学者克鲁(P.Crewe)和阿劳特(Arlotte)理论
英国白鱼总署(WhiteFishAuthority)与怀斯蓝得飞机制造公司(WestlandAirCraftCo.)合作,系统地研究了网片的阻力。
克鲁和阿劳特在水槽中进行了大量试验后,于1964年提出:
当网片的线面积系数Sck小于0.30,同时网片对水流的冲角要足够大,保证穿过网目的尾流不互相影响。
首先他们假定不考虑流速在穿过网目时有所增高的影响,同时假定目脚和结节的阻力相互独立。
则单位网目线面积时目脚的阻力系数Cb为:
Cb=2(a-dk)d(CN90·sin3α+Cfcos2α)/(2ad)(3.1.37)
式中
a--目脚长,结节中心至结节中心;
dk--结节直径;
d--网线直径;
α--网目目脚的冲角;
β--网片的冲角;
CN90--垂直于来流,以投影面积为基础的圆柱体的阻力系数;
Cf--切向阻力系数;
ET--纵向缩结系数。
单位网目线面积时结节的阻力系数为:
(3.1.38)
式中:
CS--光滑圆球阻力系数。
故单位网目线面积时,网目的阻力系数为为C'd目脚和结节阻力系数的组合,有C'd=Cb+Ck。
再考虑到速度因网目影响而增高的现象,则他们提出网目的阻力系数为:
Cd=C'd·(Ve/V)2=C'd·(1/(1-Sck))2(3.1.39)
式中V--来流速度或网片运动速度;
Ve--考虑到网片线面积系数S'ck时的速度。
当网片对水流的倾角较小时,后面的网目受到影响前面网目的尾流影响时,他们提出如下理论:
当倾角,即冲角接近00时,阻力因尾流影响而有所下降。
实验观察结果表明主要是结节下降。
在网目张角φ<400即席ET<0.64时,一般网衣的d/a值为中等或较小时,则网目阻力系数为:
Cd=CN90sin3α+Cfcos2α(3.1.40)
当网目张较大时,即φ>400,ET>0.64时,并且网衣为制作网囊的网衣时,d/a值较大时,网阻力系数为一定值,Cα=0.2。
3.1.4.4德国学者克鲁斯(W.Kruse)理论假说
克鲁斯通过对平面网片模型在小倾角时的升阻力的研究,于1979年提出小冲角时,平面网片阻力的大小取决于网长度与目脚长度的比值。
这是由于当边界层长度增加时,边界层厚度也增加,后面的网线和结节处在前面网目造成的边界层内,实际作用在网线上的流速u低于速度U。
因此,在小冲角的情况下,不能将网片的所有目脚、结节阻力相加来得到总阻力。
根据边界层理论,有:
u=U-u*
而:
u*=u*m·F(η)
式中
;
;
F(η)=(1-η1.5)2;
;
;
;
CD--阻力系数;
S--垂直投影面积;
α--实验系数,0.29。
代入后,有:
由此式可知,u
对于无结节网片的阻力系数为:
CD=(CN90sin3α+CD0cos3α)SC(3.1.41)
式中SC--是不计结节时的线面积系数,d/(aETEn)。
升力系数为:
CL=(CN90sin2αcosα-CD0cos2αsinα)SC(3.1.42)
式中CN90--网线垂直于来流时的阻力系数,为0.12;
CD0--网线平行来流时的阻力系数,为0.02。
3.1.4.5日本学者今井健彦(Imai)理论假说
今井健彦在1979年发表的文章中,从实验技术方面进行改进,采用C形框架固定网片来研究平面网片阻力,克服小倾角时框架的尾流影响。
网片是2a=121mm,d=5.6mm,聚乙烯。
d/a=0.0463,φ=370,即ET=0.6。
在冲角为00至900,速度为0.22、0.37和0.44m/s范围内进行了测试,从实验数据推出阻力系数的经验公式:
阻力系数:
Cd=CN90sin5/2α(3.1.43)
升力系数:
CL=CN90sin3/2αcosα(3.1.44)
阻力系数:
Cf=Cf0cosα+ksinαcosα(3.1.45)
式中CN90--有结节时为1.1,无结节为1.0;
α--冲角;
Cf0--0.27;
k--有结节时为0.21,无结节时为0.17;
CX=Cd+Cfcosα;
Cy=CL。
今井健彦的实验结果还表明阻力是与速度的1.7次方在正比。
3.1.4.6苏联学者列维恩(A.C.PEBИH)理论假说
列维恩对平面网片的阻力系数提出如下关系式:
Rα=R0+(RN90-RD0)sinα(3.1.46)
式中R90、R0为网片与水流垂直和平行的阻力。
由此可推出阻力系数的关系为:
Cα=CD0+(CN90-CD0)sinα(3.1.47)
式中CN90和CD0分别为网片垂直和平行水流时的阻力系数。
该式在应用时,常以Cα=CD0+(CN90-CD0)来代替,在冲角为0<α<400时,两者相当近似,见图。
3.1.5平面网片阻力公式
国内外学者对平面网片的水动力进行了长期的研究,除了通过流体力学、材料力学等基础理论,对网片的水动力学性质提出种种假说,并用实验数据来验证假说的合理性,以便了解内在的规律。
但是,由于构成网片的渔具材料是非光滑的柔性体,受力状态较复杂,涉及多种因素,计算较繁复,又难以精确表达和计算。
故在实践应用中,往往采用较简单的经验公式,进行近似计算。
为此,学者们利用风洞、水槽和天然水域做了大量实验和测试,从实验数据推论出一些经验公式。
本节将作一一介绍。
3.1.5.1苏联学者巴拉诺夫(Ф.И.Бapaнoв)网片阻力计算经验公式
苏联学者巴拉诺夫教授曾于1922年利用天然水域进行了试验。
固定在框架上的网片面积为2.5m2,缩结系数为ET/En=0.5/0.87,网线直径d=0.28∽1.5mm,网目尺寸为2a=26∽54mm,网线材料均为棉线。
测线速度为0.042∽0.51m/s。
由实验数据得出与流向垂直的平面网片阻力公式为:
R90=75·L·d·V1.75(Kg)(3.1.48)
或:
R90=735.5·L·d·V1.75(N)
式中R90--水流与网片垂直时的阻力;
L--网片的网线总长度,m(结节用量不计);
d--网线直径,m;
V--网片运动速度,s/m。
公式(3.1.48)中Ld即线面积,可用
来代替,则有:
或:
(3.1.49)
式中S--网片缩结面积,m2。
3.1.5.2日本学者田内的网片阻力计算经验公式
日本学者田内博士曾于1925年至1929年在天然水域进行了平面网片的研究工作。
网片试样固定在金属的两面框架上,框架两面角为600,900,1200,1500和1800五种,所有试样对于垂直于运动方向的平面投影面积为1m2。
缩结系数ET/En=0.707/0.707,网线直径d=0.01,0.02及0.05mm。
网材料为棉、苎麻和马尼刺麻。
由实验结果分析得经验公式,在冲角α=900时,即两面角为1800框架试验时,有:
(3.1.50)
但在试验中,阻力系数不是常数,取平均值后为:
(3.1.51)
从上式看出,阻力系数K90=180,即CN90=3.6,阻力系数与d/a成线性关系。
实验结果表明,当冲角α=00时,即网片平面平行于运动方向,有:
R0=1.8·S·V2(Kg)(3.1.52)
同样可以推得C0=0.033。
基于实验数据和上式公式,田内提出网片在任意冲角下的阻力公式为:
Rα=R0+(R90-R0)(3.1.53)
由此推得:
(3.1.54)
由于上述实验是在缩结系数ET/En=0.707/0.707的方形网目情况下测得,为了考虑到不同的缩结系数的影响,采用缩结修正系数x,定义x为
(3.1.55)
式中
--缩结系数为ET的网片,垂直来流时的阻力;
--是方形网目时(即ET=En=U=0.707),垂直来流的阻力。
当试样的缩结面积相等时,线面积之比即为缩结修正系数。
代入(3.1.51)和(3.1.55)式后,有
(3.1.56)
或
(3.1.57)
式中Ss——网片线面积。
由此可推得网片阻力系数CN90=1.8。
3.1.5.3苏联学者弗里特曼(A.L.Fridman)的网片阻力计算经验公式
弗里特曼于1961年至1963年通过风洞试验,对不同结构,缩结系数ET为0.5和0.707,d/a为0.01至0.12的棉线,聚酰胺网片进行测试,推出平面网片垂直于来流时的阻力计算经验公式为:
(3.1.58)
系数k=200(表3-3),指捻线或缆绳状的,有结节网片。
表3-3
网材料
网片结构
缩结系数
d/a
k
台德纶
捻线,有结节
0.5
0.02∽0.8
164∽214
台德纶
辫编线,有结节
0.5
0.010∽0.84
139∽160
台德纶
辫编线,有结节
0.707
0.075∽0.092
169∽178
台德纶
捻线,有结节
0.5
0.12
209
台德纶
链式,无结节
0.707
0.08∽0.11
145∽150
台德纶
链式,无结节
0.5
0.08∽0.11
169∽170
棉线
缆绳线,有结节
0.5
0.055
199
网片平行水流时,系数k0=6∽26。
阻力公式仍具有一般形式:
。
3.1.5.4苏联学者列维恩的网片阻力计算经验公式
前苏联学者列维恩副博士对网片研究的结果如下:
1、与水流垂直的网片阻力公式
首先,平面网片的缩结系数ET/En=0.707/0.707,和d/a=0.01、0.03和0.12,运动速度V=0.2∽1.0m/s。
有阻力公式为:
(3.1.59)
考虑到缩结的影响,有实验测得修正系数x=0.54/(ET/En)-0.09
为了计算方便,又进一步转换为近似式:
(3.1.60)
考虑到平面网片,在水流冲击下,会形成一定的拱度,从而影响了阻力。
设拱度为L/S,并对不同的d/a和ET/En的网衣,在不同的拱度L/S下进行测试,得出了拱度修正系数Θ与L/S的关系为:
Θ=1.6-2.96(L/S)+2.36(L/S)2(3.1.61)
因此,考虑到d/a、ET/En和拱度L/S等因素影响时,阻力公式为:
(3.1.62a)
或
(3.1.62b)
2、与水流平行的网片阻力公式
列维恩第一步是由实验值推出只考虑运动速度对网片阻力的影响,而不考虑其他因素时,具有以下公式:
R0=1.43SV1.96(3.1.63)
再考虑网线直径与目脚长度之比d/a对阻力的影响,通过对7种不同d/a值网衣(0.01∽0.12)系列试验,结果表明网衣阻力与d/a成线性正比例关系。
其实际工资质是阻力与线面积成正比关系,令Δ为因d/a值的变化引起阻力变化的系数,则从试验结果得到:
Δ=0.97+4.88d/a
近似公式为:
Δ=1+5d/a(3.1.64)
还考虑缩结系数对阻力的影响。
试验数据表明当缩结系数ET/En=0.707/0.707时,阻力最小。
经验修正系数为:
x=0.9+0.04ET/En+0.55exp(-2.4ET/En)(3.1.65)
此外,由于网片在水流中与速度方向平行,则须考虑前面的网目引起的尾流对后面的网目的影响,修正系数为λ,设d
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- 第三章 网片的水动力 第三 动力
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