倪震宇，張新峰、2、3，金宇鋒，張健、2、3

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306； 2.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306； 3.國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306)

單錨張綱張網(wǎng)(俗稱(chēng)帆張網(wǎng))以其網(wǎng)具規(guī)模大、單船可載數(shù)量多、能耗較低、適應(yīng)多種水深作業(yè)、選擇漁場(chǎng)機(jī)動(dòng)靈活、生產(chǎn)效益好等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，自20世紀(jì)80年代被引入東海近海漁業(yè)生產(chǎn)后[5]在中國(guó)近海捕撈作業(yè)中得到了迅猛發(fā)展[6-7]。張網(wǎng)漁業(yè)捕撈努力量大、漁獲幼魚(yú)比例高、漁具缺乏選擇性等作業(yè)特點(diǎn)，給近海漁業(yè)資源養(yǎng)護(hù)造成了巨大的壓力。1995年，東海區(qū)漁政局制定《帆式張網(wǎng)作業(yè)管理實(shí)施辦法》，旨在控制捕撈努力量，并實(shí)施專(zhuān)項(xiàng)捕撈許可證，實(shí)行專(zhuān)項(xiàng)管理；2000年，中國(guó)漁政漁港監(jiān)督管理局發(fā)布《帆式張網(wǎng)作業(yè)管理暫行辦法》，制訂了“專(zhuān)項(xiàng)許可、逐年削減、最終淘汰”的帆張網(wǎng)漁業(yè)管理原則。地方上，浙江省在2006年發(fā)布《浙江省漁業(yè)管理?xiàng)l理》，將帆張網(wǎng)列為禁用漁具。然而，近海漁民對(duì)張網(wǎng)使用的習(xí)慣在短期內(nèi)難以完全禁止，2014年，農(nóng)業(yè)部發(fā)布實(shí)施《關(guān)于實(shí)施海洋捕撈準(zhǔn)用漁具和過(guò)渡漁具最小網(wǎng)目尺寸制度的通告》，將所有單錨張綱張網(wǎng)漁具列為過(guò)渡漁具予以限制[8]。針對(duì)當(dāng)前近海漁業(yè)實(shí)際情況，優(yōu)化單錨張綱張網(wǎng)漁具結(jié)構(gòu)，改善漁具漁獲性能，特別是漁具選擇性能，對(duì)于保護(hù)漁業(yè)資源、保障漁業(yè)持續(xù)和健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，對(duì)于單錨張綱張網(wǎng)漁具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究主要集中在擴(kuò)張帆布結(jié)構(gòu)與網(wǎng)口結(jié)構(gòu)[1,9-11]、網(wǎng)目尺寸選擇性[2,12-13]、幼魚(yú)和非目標(biāo)種類(lèi)釋放裝置[14-15]等方面，研究方法除海上實(shí)測(cè)觀察以外，主要依靠模型試驗(yàn)[1,10-11]的方式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，使用數(shù)值方式模擬網(wǎng)漁具的水動(dòng)力性能已成為漁具設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究的常用方法，也是當(dāng)前海洋漁業(yè)工程研究中的熱門(mén)話(huà)題，在拖網(wǎng)、圍網(wǎng)、刺網(wǎng)、定置陷阱和延繩釣等漁具，以及網(wǎng)箱等漁業(yè)工程設(shè)施的設(shè)計(jì)優(yōu)化中均被廣泛使用[16-26]。本研究中，通過(guò)數(shù)值模擬方式分析單錨張綱張網(wǎng)的水動(dòng)力性能，定量分析張網(wǎng)在作業(yè)過(guò)程中的工況，以期為進(jìn)一步深入開(kāi)展?jié)O具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、漁獲性能評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實(shí)物網(wǎng) 以呂四漁場(chǎng)、大沙漁場(chǎng)中最為常用的單錨張綱張網(wǎng)為研究對(duì)象，網(wǎng)具主尺度為230 m×180 m，擴(kuò)張帆布規(guī)格為1.8 m×45.0 m，裝配沖角約為60°，浮力配備為14 700 N，約8%分布于張綱中部，兩側(cè)各集中分布46%，沉力配備9800 N，40%分布兩側(cè)，剩余均布于下綱。

1.1.2 模擬張網(wǎng) 實(shí)物網(wǎng)規(guī)格大，為減少網(wǎng)具數(shù)值模擬計(jì)算量，一般會(huì)根據(jù)漁具模型試驗(yàn)準(zhǔn)則進(jìn)行縮小，并采用網(wǎng)目群化方法對(duì)網(wǎng)具結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化[18]。根據(jù)田內(nèi)準(zhǔn)則，按大尺度比為25、小尺度比為3.95將實(shí)物網(wǎng)縮小成模擬用張網(wǎng)(圖1)。網(wǎng)具結(jié)構(gòu)的離散化以集中質(zhì)量法為基礎(chǔ)，將張網(wǎng)漁具網(wǎng)片、繩索、上下綱等進(jìn)行離散化，網(wǎng)片的離散是將目腳簡(jiǎn)化為其目腳中心的質(zhì)量點(diǎn)，各個(gè)質(zhì)量點(diǎn)通過(guò)輕彈簧連接，離散化示意圖如圖2-A所示；然后以網(wǎng)具的空間形狀、質(zhì)量、水動(dòng)力不發(fā)生改變?yōu)樵瓌t對(duì)張網(wǎng)進(jìn)行群化，網(wǎng)目群化如圖2-B所示；并對(duì)網(wǎng)具各個(gè)質(zhì)量點(diǎn)建立質(zhì)量點(diǎn)間的拓?fù)鋵W(xué)關(guān)系。

圖1 模擬用張網(wǎng)網(wǎng)衣展開(kāi)圖Fig.1 Net drawing of the stow net scaled down for simulation

圖2 集中質(zhì)量法的質(zhì)點(diǎn)彈簧系統(tǒng)(A)和網(wǎng)目群化(B)示意圖Fig.2 Diagrams of mass-spring systems in lumped mass method(A) and mesh grouping method(B)

離散簡(jiǎn)化并建立拓?fù)鋵W(xué)關(guān)系后模型網(wǎng)網(wǎng)衣由原有的16段簡(jiǎn)化為2段(圖3)，目腳長(zhǎng)度均取627 mm，為保證簡(jiǎn)化前后網(wǎng)衣線面積系數(shù)不變，網(wǎng)線直徑由原來(lái)的0.96 mm增至3.17 mm，網(wǎng)線材料密度均為960 kg/m3，叉綱Ⅰ長(zhǎng)度取3.29 m，叉綱Ⅱ長(zhǎng)度取3.39 m。

1.2 方法

采用有限元方法為基礎(chǔ)，對(duì)單錨張綱張網(wǎng)建立數(shù)學(xué)模型，并作以下基本假設(shè)：

圖3 簡(jiǎn)化后的網(wǎng)具拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topological structure of the simplfied stow net

(1)某段時(shí)間內(nèi)海流的大小和方向保持恒定。

(2)網(wǎng)線絕對(duì)柔軟，只能承受拉力(張力)，不能承受壓力、剪力和彎矩，即桿單元屬二維軸向拉桿，內(nèi)力只有軸向拉力。

(3)網(wǎng)線目腳是圓柱形，其水阻力系數(shù)隨著運(yùn)動(dòng)方向的變化而變化，目腳兩端的節(jié)點(diǎn)為圓球，其水阻力系數(shù)在運(yùn)動(dòng)方向上是恒定的。

(4)網(wǎng)具整體始終保持在水面以下。

(5) 升力帆布僅在高度方向發(fā)生形變，在寬度方向不發(fā)生形變。

網(wǎng)具(包括綱索)桿單元在水下受到的水動(dòng)力及桿單元所受到的水中重力被平均分配到與其相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上(圖4)。該節(jié)點(diǎn)除了受到桿單元水動(dòng)力作用外，還受到相鄰桿單元的拉力作用，根據(jù)牛頓第二定律，節(jié)點(diǎn)滿(mǎn)足動(dòng)力學(xué)方程：

(1)

投影到x、y和z三個(gè)方向上，分別為

(2)

其中：mi,j為桿單元ij的質(zhì)量；li,j為桿單元ij的長(zhǎng)度；xi、yi、zi分別為節(jié)點(diǎn)i的x、y和z坐標(biāo)；xj、yj、zj分別為節(jié)點(diǎn)j的x、y和z坐標(biāo)；ai為節(jié)點(diǎn)i的加速度；k為與節(jié)點(diǎn)i相鄰的節(jié)點(diǎn)總數(shù)；Ti,j為桿單元ij所受到的張力，采用彈性胡克定律計(jì)算；FDi,j、FLi,j分別為桿單元ij的水阻力和升力，將桿單元視為圓柱體計(jì)算；Gi,j為桿單元ij在水中的重力；ex、ey、ey分別為x、y和z坐標(biāo)軸的單位向量；d2xi/dt2、d2yi/dt2、d2zi/dt2分別為節(jié)點(diǎn)i在x、y和z方向上的加速度分量。

單錨張綱張網(wǎng)的擴(kuò)張帆布與側(cè)網(wǎng)網(wǎng)衣相連，因此，將分布式水動(dòng)力集中于側(cè)網(wǎng)若干個(gè)桿單元質(zhì)量點(diǎn)上，根據(jù)前述假設(shè)條件，以平板水動(dòng)力系數(shù)代替帆布的升阻力系數(shù)。

模型在在求解中使用了龍格庫(kù)塔法[27-28]的六階算法。在數(shù)值模擬過(guò)程中，選擇了0.26、0.32、0.39、0.46和0.52 m/s作為水流流速。

圖4 桿單元的受力分析Fig.4 Forces analysis of weighted bar element

2 結(jié)果與分析

2.1 張網(wǎng)的穩(wěn)定過(guò)程

數(shù)值模擬結(jié)果顯示：網(wǎng)具從初始狀態(tài)(圖3)開(kāi)始，受恒定水流沖擊后網(wǎng)口寬度迅速增大，然后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸收攏達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(圖5-A)；網(wǎng)具所受的總阻力隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸趨于穩(wěn)定(圖5-B)。

2.2 網(wǎng)具穩(wěn)定時(shí)間

以網(wǎng)具在恒定流速下間隔0.5 s，總阻力首次相差小于0.05%作為網(wǎng)具進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，模擬結(jié)果顯示，網(wǎng)具從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間隨流速的增加而減小，如圖6所示。

2.3 網(wǎng)具的形態(tài)

2.3.1 網(wǎng)具的總體形狀 不同流速下，穩(wěn)定后的網(wǎng)具形狀如圖7所示。從圖7可知，當(dāng)流速較小時(shí)，網(wǎng)口水平和垂直擴(kuò)張較好，隨著流速的增加，網(wǎng)口兩側(cè)網(wǎng)衣垂直擴(kuò)張逐漸減小，上、下綱中部高度未見(jiàn)明顯減小，但后墜程度逐漸增大，網(wǎng)具縱向拉伸逐漸增大。

圖5 網(wǎng)口寬度和阻力的穩(wěn)定過(guò)程Fig.5 Stabilization process of net mouth width and resistance

圖6 不同流速下網(wǎng)具的穩(wěn)定時(shí)間和阻力Fig.6 Duration of process to stable state and resistances under different flow velocities

2.3.2 網(wǎng)具的網(wǎng)口擴(kuò)張 從圖5-A可知，在恒定水流中，隨著流速的增加，網(wǎng)口的寬度明顯減小，而網(wǎng)口高度略有下降。不同流速下網(wǎng)口的寬度、高度和過(guò)流面積如圖8所示。

將網(wǎng)口投影至豎直平面以獲得網(wǎng)口形狀，根據(jù)過(guò)濾性漁具作業(yè)特點(diǎn)視為橢圓形，將網(wǎng)口的最大擴(kuò)張寬度和高度分別視為橢圓的長(zhǎng)軸和短軸，則不同流速下網(wǎng)口面積如圖8所示。

2.3.3 網(wǎng)具不同部位的縮結(jié)系數(shù) 網(wǎng)具總體穩(wěn)定以后，對(duì)不同部位網(wǎng)衣的水平縮結(jié)系數(shù)沿周向取平均值，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)具從網(wǎng)身到網(wǎng)囊水平縮結(jié)系數(shù)逐漸減小，以0.39 m/s的流速為例，從網(wǎng)身后部0.21減小至網(wǎng)囊部約為0.07；且網(wǎng)具各部分網(wǎng)衣的縮結(jié)系數(shù)隨著流速的增加而減小，不同流速下網(wǎng)具各部的水平縮結(jié)系數(shù)如圖9所示。

圖7 不同流速下張網(wǎng)的形狀和張力分布Fig.7 Overall shape and tension distribution of stow net under different flow velocities

圖8 網(wǎng)口尺寸及其面積Fig.8 Opening size and area of a net mouth

圖9 網(wǎng)具各部分網(wǎng)衣的水平縮結(jié)系數(shù)Fig.9 Hanging ratios of different part panels of a net

2.4 網(wǎng)具的水動(dòng)力

2.4.1 網(wǎng)具總阻力 網(wǎng)具在不同流速下穩(wěn)定后的總阻力隨著流速的增加而增加，如圖6所示，使用冪指數(shù)關(guān)系擬合總阻力F(N)和流速v(m/s)的關(guān)系，即F=480.1×v1.722。

2.4.2 網(wǎng)線張力載荷 網(wǎng)具在不同流速下不同部位的網(wǎng)線和綱索上的張力載荷如圖7所示。網(wǎng)線張力載荷較為集中的部位主要是上綱、下綱兩端及叉綱與網(wǎng)衣的連接處，且隨著流速的增加，集中載荷分布趨勢(shì)愈加明顯。

3 討論

通過(guò)力學(xué)模型，借助計(jì)算機(jī)方式實(shí)現(xiàn)漁具水動(dòng)力和形態(tài)數(shù)值模擬以研究相關(guān)漁具工程物理問(wèn)題，能克服傳統(tǒng)研究方法成本高、條件不可控、試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)慢、圖像無(wú)法直接觀察等技術(shù)難點(diǎn)。此外，漁具數(shù)值模擬作為一種微觀處理方法，從漁具基本構(gòu)件入手，構(gòu)建整個(gè)漁具系統(tǒng)的模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得的定量結(jié)果不僅可以對(duì)漁具整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，還可對(duì)漁具最小構(gòu)件(網(wǎng)目目腳、節(jié)點(diǎn)或綱索微段)進(jìn)行分析，有助于開(kāi)展網(wǎng)具局部性能的分析和評(píng)價(jià)[18,29]。在本研究中，通過(guò)數(shù)值模擬分析網(wǎng)具的總體擴(kuò)張和阻力，掌握了張網(wǎng)網(wǎng)具各部分網(wǎng)衣和綱索的張力載荷分布及其隨流速的變化情況；通過(guò)分析網(wǎng)具的受力均勻性和結(jié)構(gòu)合理性，了解各部分網(wǎng)衣的橫向擴(kuò)張情況，這對(duì)于分析網(wǎng)具整體選擇性、濾水性及漁具的導(dǎo)魚(yú)性等至關(guān)重要。

拖網(wǎng)、圍網(wǎng)等漁具在實(shí)際作業(yè)中，通常網(wǎng)具運(yùn)動(dòng)方向和水流方向不一致，因此，數(shù)值模擬的方法需要考慮流向的變化，且模型試驗(yàn)中因難以模擬出相近流態(tài)，使得數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比存在一定的局限性；而張綱張網(wǎng)漁具大多以單錨或單樁固定，網(wǎng)具總體隨著流變動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，這一作業(yè)特點(diǎn)決定了網(wǎng)具的網(wǎng)口始終垂直于水流，因此，使用數(shù)值模擬的方法分析網(wǎng)具水動(dòng)力性能相比其他漁具可能更具合理性和可靠性。

網(wǎng)具的數(shù)值模擬不僅要考慮力學(xué)模型的完整性等問(wèn)題，同樣要考慮模擬的初始和邊界條件。此項(xiàng)研究中，初始狀態(tài)網(wǎng)具總體靜止于水中并總體處于擴(kuò)張狀態(tài)，這與張綱張網(wǎng)的實(shí)際作業(yè)情況并不相同，因此，網(wǎng)具從初始到穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)值模擬過(guò)程不能反映張網(wǎng)放網(wǎng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)過(guò)程。但數(shù)值模擬的初始狀態(tài)(圖3)與拖曳水槽模型試驗(yàn)的初始狀態(tài)相似，以模擬結(jié)果分析，隨著流速的增大，模型穩(wěn)定的時(shí)間逐漸減小，對(duì)應(yīng)的拖曳試驗(yàn)中，穩(wěn)定所需的拖曳距離(等于穩(wěn)定所需的最小時(shí)間乘以流速)基本保持在16～20 m，表明拖曳水槽模型試驗(yàn)時(shí)前20 m的觀察結(jié)果并不穩(wěn)定。對(duì)于邊界條件，數(shù)值模擬中將網(wǎng)具整體視為處于恒定均勻流，而實(shí)際作業(yè)中張綱張網(wǎng)下綱和網(wǎng)具網(wǎng)腹前部通常接觸海底，近海底流速相對(duì)較低，因此，網(wǎng)具下部受力小于上部，常見(jiàn)的工程安全問(wèn)題(例如破網(wǎng))也多出現(xiàn)于背網(wǎng)部，這與數(shù)值模擬結(jié)果存在差異。

網(wǎng)口擴(kuò)張的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，網(wǎng)口高度隨著流速增加略有降低，這與彭永章等[5]、黃洪亮等[10]和張健等[11]的模型試驗(yàn)結(jié)果相同；但數(shù)值模擬獲得的網(wǎng)口寬度隨流速增加而明顯減小的趨勢(shì)在上述模型試驗(yàn)中并不明顯。筆者認(rèn)為，造成這一差異的原因可能是，數(shù)值模擬中將帆布假設(shè)為不能在寬度方向發(fā)生形變，并使用平板的升力系數(shù)計(jì)算擴(kuò)張力，而實(shí)際升力帆布在水流下會(huì)在寬度方向產(chǎn)生拱度，形成類(lèi)似機(jī)翼截面形狀，進(jìn)而升力系數(shù)提高，且會(huì)隨著流速的增加而增加，維持了網(wǎng)口的水平擴(kuò)張。在進(jìn)一步的研究中，需要對(duì)擴(kuò)張帆布的水動(dòng)力建立更為完善的動(dòng)力模型或進(jìn)行模型試驗(yàn)，掌握其水動(dòng)力性能。網(wǎng)具的阻力與流速的關(guān)系數(shù)值模擬結(jié)果與其他模型試驗(yàn)基本一致(阻力與流速的冪指數(shù)在筆者、黃洪亮等[10]和張健等[11]的研究中分別為1.722、1.629和1.645)。

數(shù)值模擬中，網(wǎng)囊、囊頭網(wǎng)等部分的網(wǎng)衣擴(kuò)張與實(shí)際作業(yè)情況存在較大的差異，一方面因?qū)嶋H漁獲的存在，菱形網(wǎng)目網(wǎng)囊通常呈“燈泡型”，囊頭網(wǎng)部分縮結(jié)最小，在漁獲聚集區(qū)前網(wǎng)目擴(kuò)張；另一方面，數(shù)值模擬中網(wǎng)目群化后網(wǎng)囊目腳和節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，降低了不同網(wǎng)目在微觀上的差異。盡管如此，使用數(shù)值模擬的方法依然可以大致了解網(wǎng)具后部網(wǎng)衣的總體擴(kuò)張情況。不同流速下網(wǎng)具后部網(wǎng)衣水平縮結(jié)系數(shù)的模擬結(jié)果(圖9)顯示，張綱張網(wǎng)囊頭網(wǎng)和網(wǎng)囊的網(wǎng)目基本閉合，網(wǎng)囊水平縮結(jié)系數(shù)僅為0.06～0.09，因此，張網(wǎng)漁具除了利用放大網(wǎng)目尺寸改善張網(wǎng)尺寸選擇性的方法[12,30-32]外，還需考慮使用特定技術(shù)手段來(lái)維持網(wǎng)目的水平擴(kuò)張，以利于幼魚(yú)的逃逸，例如使用方形網(wǎng)目、轉(zhuǎn)向網(wǎng)目或剛性釋放裝置等。