基于數(shù)值模擬的單錨張綱張網(wǎng)水動力性能研究

倪震宇，張新峰、2、3，金宇鋒，張健、2、3

(1.上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306； 2.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點實驗室，上海 201306； 3.國家遠洋漁業(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、適應多種水深作業(yè)、選擇漁場機動靈活、生產(chǎn)效益好等優(yōu)點[1-4]，自20世紀80年代被引入東海近海漁業(yè)生產(chǎn)后[5]在中國近海捕撈作業(yè)中得到了迅猛發(fā)展[6-7]。張網(wǎng)漁業(yè)捕撈努力量大、漁獲幼魚比例高、漁具缺乏選擇性等作業(yè)特點，給近海漁業(yè)資源養(yǎng)護造成了巨大的壓力。1995年，東海區(qū)漁政局制定《帆式張網(wǎng)作業(yè)管理實施辦法》，旨在控制捕撈努力量，并實施專項捕撈許可證，實行專項管理；2000年，中國漁政漁港監(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“專項許可、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)管理條理》，將帆張網(wǎng)列為禁用漁具。然而，近海漁民對張網(wǎng)使用的習慣在短期內(nèi)難以完全禁止，2014年，農(nóng)業(yè)部發(fā)布實施《關(guān)于實施海洋捕撈準用漁具和過渡漁具最小網(wǎng)目尺寸制度的通告》，將所有單錨張綱張網(wǎng)漁具列為過渡漁具予以限制[8]。針對當前近海漁業(yè)實際情況，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，對于保護漁業(yè)資源、保障漁業(yè)持續(xù)和健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，對于單錨張綱張網(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]、幼魚和非目標種類釋放裝置[14-15]等方面，研究方法除海上實測觀察以外，主要依靠模型試驗[1,10-11]的方式。隨著計算機技術(shù)的進步，使用數(shù)值方式模擬網(wǎng)漁具的水動力性能已成為漁具設(shè)計和優(yōu)化研究的常用方法，也是當前海洋漁業(yè)工程研究中的熱門話題，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)計優(yōu)化中均被廣泛使用[16-26]。本研究中，通過數(shù)值模擬方式分析單錨張綱張網(wǎng)的水動力性能，定量分析張網(wǎng)在作業(yè)過程中的工況，以期為進一步深入開展?jié)O具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、漁獲性能評價提供參考依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實物網(wǎng) 以呂四漁場、大沙漁場中最為常用的單錨張綱張網(wǎng)為研究對象，網(wǎng)具主尺度為230 m×180 m，擴張帆布規(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) 實物網(wǎng)規(guī)格大，為減少網(wǎng)具數(shù)值模擬計算量，一般會根據(jù)漁具模型試驗準則進行縮小，并采用網(wǎng)目群化方法對網(wǎng)具結(jié)構(gòu)進行簡化[18]。根據(jù)田內(nèi)準則，按大尺度比為25、小尺度比為3.95將實物網(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、上下綱等進行離散化，網(wǎng)片的離散是將目腳簡化為其目腳中心的質(zhì)量點，各個質(zhì)量點通過輕彈簧連接，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、水動力不發(fā)生改變?yōu)樵瓌t對張網(wǎng)進行群化，網(wǎng)目群化如圖2-B所示；并對網(wǎng)具各個質(zhì)量點建立質(zhì)量點間的拓撲學關(guān)系。

圖1 模擬用張網(wǎng)網(wǎng)衣展開圖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)

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

1.2 方法

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

圖3 簡化后的網(wǎng)具拓撲結(jié)構(gòu)Fig.3 Topological structure of the simplfied stow net

(1)某段時間內(nèi)海流的大小和方向保持恒定。

(2)網(wǎng)線絕對柔軟，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)隨著運動方向的變化而變化，目腳兩端的節(jié)點為圓球，其水阻力系數(shù)在運動方向上是恒定的。

(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節(jié)點上(圖4)。該節(jié)點除了受到桿單元水動力作用外，還受到相鄰桿單元的拉力作用，根據(jù)牛頓第二定律，節(jié)點滿足動力學方程：

(1)

投影到x、y和z三個方向上，分別為

(2)

其中：mi,j為桿單元ij的質(zhì)量；li,j為桿單元ij的長度；xi、yi、zi分別為節(jié)點i的x、y和z坐標；xj、yj、zj分別為節(jié)點j的x、y和z坐標；ai為節(jié)點i的加速度；k為與節(jié)點i相鄰的節(jié)點總數(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坐標軸的單位向量；d2xi/dt2、d2yi/dt2、d2zi/dt2分別為節(jié)點i在x、y和z方向上的加速度分量。

單錨張綱張網(wǎng)的擴張帆布與側(cè)網(wǎng)網(wǎng)衣相連，因此，將分布式水動力集中于側(cè)網(wǎng)若干個桿單元質(zhì)量點上，根據(jù)前述假設(shè)條件，以平板水動力系數(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塔法[27-28]的六階算法。在數(shù)值模擬過程中，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)定過程

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

2.2 網(wǎng)具穩(wěn)定時間

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，當流速較小時，網(wǎng)口水平和垂直擴張較好，隨著流速的增加，網(wǎng)口兩側(cè)網(wǎng)衣垂直擴張逐漸減小，上、下綱中部高度未見明顯減小，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)過濾性漁具作業(yè)特點視為橢圓形，將網(wǎng)口的最大擴張寬度和高度分別視為橢圓的長軸和短軸，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，集中載荷分布趨勢愈加明顯。

3 討論

通過力學模型，借助計算機方式實現(xiàn)漁具水動力和形態(tài)數(shù)值模擬以研究相關(guān)漁具工程物理問題，能克服傳統(tǒng)研究方法成本高、條件不可控、試驗結(jié)果呈現(xiàn)慢、圖像無法直接觀察等技術(shù)難點。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)建整個漁具系統(tǒng)的模型，通過數(shù)值計算獲得的定量結(jié)果不僅可以對漁具整體性能進行評價，還可對漁具最小構(gòu)件(網(wǎng)目目腳、節(jié)點或綱索微段)進行分析，有助于開展網(wǎng)具局部性能的分析和評價[18,29]。在本研究中，通過數(shù)值模擬分析網(wǎng)具的總體擴張和阻力，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)衣的橫向擴張情況，這對于分析網(wǎng)具整體選擇性、濾水性及漁具的導魚性等至關(guān)重要。

拖網(wǎng)、圍網(wǎng)等漁具在實際作業(yè)中，通常網(wǎng)具運動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，且模型試驗中因難以模擬出相近流態(tài)，使得數(shù)值模擬和模型試驗結(jié)果的對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)具總體隨著流變動而旋轉(zhuǎn)，這一作業(yè)特點決定了網(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模型的完整性等問題，同樣要考慮模擬的初始和邊界條件。此項研究中，初始狀態(tài)網(wǎng)具總體靜止于水中并總體處于擴張狀態(tài)，這與張綱張網(wǎng)的實際作業(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)值模擬過程不能反映張網(wǎng)放網(wǎng)的實際動態(tài)過程。但數(shù)值模擬的初始狀態(tài)(圖3)與拖曳水槽模型試驗的初始狀態(tài)相似，以模擬結(jié)果分析，隨著流速的增大，模型穩(wěn)定的時間逐漸減小，對應的拖曳試驗中，穩(wěn)定所需的拖曳距離(等于穩(wěn)定所需的最小時間乘以流速)基本保持在16～20 m，表明拖曳水槽模型試驗時前20 m的觀察結(jié)果并不穩(wěn)定。對于邊界條件，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，近海底流速相對較低，因此，網(wǎng)具下部受力小于上部，常見的工程安全問題(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在上述模型試驗中并不明顯。筆者認為，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)計算擴張力，而實際升力帆布在水流下會在寬度方向產(chǎn)生拱度，形成類似機翼截面形狀，進而升力系數(shù)提高，且會隨著流速的增加而增加，維持了網(wǎng)口的水平擴張。在進一步的研究中，需要對擴張帆布的水動力建立更為完善的動力模型或進行模型試驗，掌握其水動力性能。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)衣擴張與實際作業(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)手段來維持網(wǎng)目的水平擴張，以利于幼魚的逃逸，例如使用方形網(wǎng)目、轉(zhuǎn)向網(wǎng)目或剛性釋放裝置等。