前翼主导型双翼拖网网板的高升力与低阻力设计研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：High Lift and Reduced Drag in a Fore-Wing-Dominant Biplane Trawl Door

　　

在不牺牲升力的前提下降低拖网网板阻力，对于降低拖曳阻力和燃油消耗，同时维持拖网所需的水平网口张开度具有重要意义。研究人员开发了一种前翼主导型双翼拖网网板，以在保留双翼构型高升力性能的同时降低阻力。以无展向缝隙的双翼型超高升力拖网网板（HLTD）为参考构型，通过集成正交设计、计算流体动力学（CFD）、反向传播（BP）神经网络代理模型和多目标遗传算法（MOGA）的框架，对描述翼型几何及相对布置的七个参数进行了优化。水槽试验在攻角α = 27°时获得最大升力系数2.08，与CFD预测结果高度吻合。本设计在保持与现有高升力双翼构型相当的最大升力系数的同时，表现出更低的阻力。在α = 20°时，其升阻比（CL/CD）比四种参考构型高约14.4%–47.8%。流场和分翼受力分析表明，优化后的布置降低了后翼对前翼流动的抑制作用，并将更大的升力产生份额转移至前翼。后翼虽然仅占总翼面积的35.5%，却贡献了整体升力的40.2%–45.0%，而仅产生整体阻力的24.3%–31.1%。这些发现确立了双翼不等但互补的水动力角色分配，作为降低拖网网板拖曳阻力、在不牺牲网口张开性能的前提下潜在降低燃油消耗的设计策略。

论文解读

一、研究背景与意义

拖网渔业是全球海洋捕捞渔业的重要组成部分，约占全球总捕捞产量的25%。在中国，拖网捕捞约占海洋捕捞产量的近50%。在单船双拖网作业中，拖网网板产生维持网口水平张开所需的水动力，直接关系到渔具的张开构型和捕捞性能。然而，拖网网板同时也产生相当大的水动力阻力，约占拖网系统总阻力的20%–30%。鉴于燃油支出通常占渔船总运营成本的30%–50%，在不牺牲网口张开性能的前提下降低拖网网板阻力，对于降低燃油消耗、运营成本及相关环境影响具有重要意义。拖网网板设计的核心挑战在于：如何产生足够的升力而不引起阻力的不成比例增加。

现有高升力拖网网板虽能产生强扩张力，允许以较小的网板面积实现所需的扩张性能，但升力的增加通常伴随压差阻力和诱导阻力的增加，可能降低水动力效率。反之，在对应最大升阻比的攻角下运行，又可能无法产生足够的升力来维持所需的网口张开。因此，最大升力和最大升阻比均不能单独作为充分的设计准则，必须在实际作业攻角范围内平衡升力产生与阻力降低。

双翼拖网网板因其结构紧凑、操作方便和运行稳定而被日本拖网渔业广泛使用。研究表明，前翼与后翼之间的相互作用是双翼拖网网板良好水动力性能的重要来源，但后翼也可能抑制前翼的升力发展，尤其是在低至中等攻角范围内。基于此，研究人员提出假设：前翼主导型布置可以降低后翼对前翼的不利影响，同时保留有益的双翼相互作用，从而在降低阻力的同时维持高升力。

二、研究内容与方法

为验证上述假设，研究人员以无展向缝隙的双翼型HLTD为参考构型，选取描述翼型几何和前后翼相对布置的七个参数进行同步优化。这七个参数包括：弦长变化比Δc/c_m、展弦比λ、前翼相对弯度比CR_f、后翼相对弯度比CR_r、间隙弦长比G/c_m、交错角θ和后翼旋转角β。所有构型的总翼面积固定为576 cm2，以消除翼面积变化的影响。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：正交试验设计（L₆₄(8⁹)正交表生成64个设计样本）、基于雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的计算流体动力学（CFD）仿真（采用可实现k-ε湍流模型）、反向传播（BP）神经网络代理模型（42个样本训练、22个样本独立测试），以及多目标遗传算法（MOGA）进行Pareto优化。最终选定三个代表性构型（模型A、B、C）进行详细的CFD对比评估，并选择综合性能最优的模型B作为最终设计，在东京海洋科技大学循环水槽中进行了实验验证。

三、研究结果

3.1 代理模型验证与优化构型选择

BP神经网络代理模型在独立测试集上对升力系数（C_L）和阻力系数（C_D）的决定系数（R2）分别为0.9882和0.9878，最大相对偏差分别为3.1%和4.3%，表明代理模型具有足够的预测精度。MOGA优化获得的Pareto最优解在相同C_L下普遍表现出更低的C_D和更高的C_L/C_D。三个候选模型在攻角低于15°时差异较小，但在高攻角区域差异明显。模型A在25°时达到最大C_L为1.99，模型B和C分别在28°时达到2.11和2.15。模型A水动力效率最高但最大升力最低，模型C升力最高但阻力也更大、效率更低，模型B在最大升力和水动力效率之间提供了更好的折中，因此被选为最终设计。

3.2 实验验证与现有双翼拖网网板对比

水槽实验测得的最大升力系数为2.08（α = 27°），与CFD预测值2.11（α = 28°）高度吻合。实验与CFD的C_D在低中攻角下也吻合良好。与四种现有双翼构型相比，本设计的最大升力系数与双翼型HLTD（2.09@28°）和带缝隙双翼型HETD（2.11@27°）相当，高于传统双翼拖网网板（1.68@20°），但低于带缝隙双翼型HLTD（2.18@32°）。然而，本设计在研究的攻角范围内表现出更低的阻力，在设计攻角α = 20°时，其升阻比比四种参考构型高约14.4%–47.8%。

3.3 流场演化与分翼水动力性能

流场分析表明，在α = 10°时，参考构型中前翼吸力面的流动加速受到限制，而前翼主导型构型中前翼上方形成了更强且更连续的高速区域，表明优化布置降低了后翼对前翼流动的抑制作用。在α = 20°时，前翼上的加速流动得以维持，后翼流动基本保持附着。在α = 30°时，参考构型后翼出现大规模分离，而前翼主导型构型的分离仅集中在两翼尾缘附近，吸力面大部分区域仍保持附着流动。

分翼受力分析显示，前翼主导型构型的前翼在低攻角下产生比参考构型更高的C_L，且不伴随C_D的增加。面积加权贡献分析表明，在参考双翼型HLTD中，后翼在α = 20°和28°时分别贡献整体升力的67.0%和58.5%，是主要的升力产生面。而在前翼主导型构型中，前翼在相应攻角下贡献整体升力的59.8%和55.0%，表明升力产生的主要份额已从后翼转移至前翼。尽管如此，较小的后翼（仅占35.5%总翼面积）仍贡献40.2%和45.0%的整体升力，而仅产生24.3%和31.1%的整体阻力。

四、讨论与结论

讨论部分指出，双翼拖网网板的高升力性能源于前后翼之间的水动力相互作用，但后翼在低中攻角下会限制前翼的升力发展，在较高攻角下则有助于维持附着流动并延迟失速。后翼因此具有双重竞争功能。本设计通过同时优化七个几何参数，实现了前后翼不等但互补的水动力角色分配：前翼提供大部分总升力，较小的后翼继续产生可观的升力贡献但阻力代价相对有限。这种功能关系也区别于带小导流板的拖网网板设计——本设计中后翼仍是一个重要的升力部件，而非被动流控元件。

结论部分总结：前翼主导型双翼拖网网板通过优化七个描述翼型几何和相对布置的参数而开发。水槽实验在α = 27°时获得最大升力系数2.08，证实了CFD预测性能。本设计在保持与现有高升力双翼构型相当的最大升力系数的同时表现出更低的阻力。在α = 20°时，其升阻比比四种参考构型高约14.4%–47.8%。优化布置降低了后翼对前翼流动的抑制作用，同时保留了较大攻角下有益的双翼相互作用。前翼因此提供更大份额的整体升力。后翼虽然仅占35.5%的总翼面积，但在α = 20°和28°时贡献了40.2%–45.0%的整体升力，而仅产生24.3%–31.1%的整体阻力。这些结果表明，赋予两翼不等但互补的水动力角色，是实现高升力与低阻力的有效设计途径。