漁用網(wǎng)衣模型相似準(zhǔn)則研究進(jìn)展

陳昌平，李艷芳，鄭艷娜*，史憲瑩，危學(xué)良

（大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

漁用網(wǎng)衣作為一項(xiàng)重要的生產(chǎn)作業(yè)設(shè)施，在捕撈業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)中發(fā)揮了重要的作用，尤其在目前網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)中，網(wǎng)衣的使用更加普遍。在漁業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中由于受波浪、水流等惡劣海洋環(huán)境因素作用，網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)發(fā)生破壞，嚴(yán)重影響了漁業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行，并會(huì)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。研究網(wǎng)衣在波流作用下的水動(dòng)力響應(yīng)特性，合理設(shè)計(jì)網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)，是解決制約網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要手段。傳統(tǒng)纖維類(lèi)網(wǎng)衣為多孔小直徑柔性構(gòu)件，在波流作用下的受力變形是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程，采用一般的理論分析計(jì)算，很難得出合乎實(shí)際的結(jié)果，因此采用模型試驗(yàn)來(lái)研究網(wǎng)衣的水動(dòng)力響應(yīng)特性是通常采用的方法，而遵循科學(xué)合理的模型相似準(zhǔn)則是進(jìn)行模型試驗(yàn)的首要前提?？紤]到網(wǎng)衣特殊的結(jié)構(gòu)，針對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱骺尚行约霸囼?yàn)條件，各國(guó)學(xué)者在模型相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了相關(guān)研究，得到了各類(lèi)網(wǎng)衣相關(guān)水動(dòng)力特性。本文主要對(duì)漁用網(wǎng)衣相似準(zhǔn)則的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 研究進(jìn)展

20世紀(jì)30年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用理論分析與模型試驗(yàn)方法，對(duì)漁具的水動(dòng)力特性進(jìn)行了相關(guān)研究。針對(duì)漁網(wǎng)特殊的結(jié)構(gòu)，研究人員在采用模型試驗(yàn)方法研究時(shí)逐步提出了一些相似準(zhǔn)則與改進(jìn)方法，如Tauti準(zhǔn)則、W.Dickson準(zhǔn)則和B.A.Christensen準(zhǔn)則[1-2]等。

1.1 Tauti準(zhǔn)則

20世紀(jì) 30年代，Tauti[3-5]在對(duì)棉麻等植物纖維漁具(主要是拖網(wǎng))進(jìn)行模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果按同一幾何相似比尺制作模型，則難以找到所需的網(wǎng)線(xiàn)。Tauti認(rèn)為判別流態(tài)特征的雷諾數(shù)Re(2×103～1.25×104)正好處在圓柱體阻力曲線(xiàn)的“自動(dòng)模擬區(qū)”，在Re=103～1.8×105的區(qū)間內(nèi)，阻力系數(shù)不變，網(wǎng)片阻力不受雷諾數(shù)的影響，并假設(shè)：(1)受力時(shí)網(wǎng)線(xiàn)的伸長(zhǎng)度忽略不計(jì)；(2)網(wǎng)片是充分柔軟的；(3)網(wǎng)片受力變形慢且作用在網(wǎng)各部分的力是處于平衡狀態(tài)。Tauti根據(jù)網(wǎng)片阻力與網(wǎng)線(xiàn)直徑d和網(wǎng)目目腳長(zhǎng)a的比值相關(guān)這一特性，認(rèn)為只要保持模型和原型的d/a比值不變，即使改變d或a的大小，也不影響網(wǎng)衣阻力，因此在制作模型時(shí)，對(duì)于網(wǎng)衣總尺度選用大尺度比λ，對(duì)于網(wǎng)線(xiàn)直徑和網(wǎng)目目腳選用小尺度比λ′，同時(shí)為保持幾何相似，模型和原型網(wǎng)片的縮結(jié)系數(shù)必須相同。

Tauti準(zhǔn)則存在的不足：(1)網(wǎng)具阻力系數(shù)是否處于“自動(dòng)模擬區(qū)”？陳明義[6]認(rèn)為各段網(wǎng)線(xiàn)與流向的夾角α不同，它們的阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化是不同的，而且由于網(wǎng)線(xiàn)間的相互影響和結(jié)節(jié)的影響，整個(gè)網(wǎng)具的阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律與一根垂直于流向的網(wǎng)線(xiàn)的阻力系數(shù)規(guī)律也不一樣，所以假定的依據(jù)不充分；顧惠庭[7]認(rèn)為阻力系數(shù)保持一定，可能是由于格子型組合的網(wǎng)線(xiàn)相互干擾的結(jié)果,也可能是因?yàn)榫W(wǎng)線(xiàn)的表面結(jié)構(gòu)與圓柱體不同而造成阻力系數(shù)特性不同，而實(shí)際上模型網(wǎng)和原型網(wǎng)的雷諾數(shù)相差很大，對(duì)阻力系數(shù)的影響不可忽略不計(jì)；(2)Tauti準(zhǔn)則要求水流流速按照小尺度比的平方根縮小，限制了部分實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)計(jì)，因?yàn)樵诰W(wǎng)箱試驗(yàn)中不僅要考慮水流條件，同時(shí)需要考慮波浪條件。如按照田內(nèi)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)試驗(yàn)，則要采用相應(yīng)的小尺度比對(duì)波浪進(jìn)行縮放，但由此得到的波浪要素在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

1.2 W.Dickson準(zhǔn)則

20世紀(jì)50年代末，W.Dickson基于弗洛德定律提出了W.Dickson準(zhǔn)則，主要應(yīng)用于大尺度的棉麻植物纖維拖網(wǎng)試驗(yàn)中[8]。W.Dickson準(zhǔn)則前提條件為：(1)模型網(wǎng)上的浮子和沉子的密度與實(shí)物網(wǎng)相同；(2)網(wǎng)線(xiàn)材料須與實(shí)物網(wǎng)相同；(3)實(shí)際的升阻力并不總是與速度平方成正比，因此在線(xiàn)尺度比和速度比方面依據(jù)雷諾數(shù)Re應(yīng)給予一定的限制。W.Dickson考慮到網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)網(wǎng)目尺寸和網(wǎng)線(xiàn)直徑提出尺度比λm和λd，要求在選定大尺度比尺λ和小尺度比尺λm和λd時(shí)，必須考慮到模型網(wǎng)衣和原型網(wǎng)衣之間，雖然相應(yīng)的雷諾數(shù)不一樣，但對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)力求相同。按W.Dickson準(zhǔn)則，一般要求網(wǎng)衣的模型比尺，λ≤8，λm、λd≤4。由于受這一條件限制，使得這一準(zhǔn)則在深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱模型試驗(yàn)中難以運(yùn)用。

1.3 B.A.Christensen準(zhǔn)則

20世紀(jì) 70年代，B.A.Christensen[3]提出合成纖維制作的網(wǎng)具模型試驗(yàn)換算準(zhǔn)則，類(lèi)似W.Dickson準(zhǔn)則，對(duì)拖網(wǎng)選定大尺度比λ和網(wǎng)目尺寸與網(wǎng)線(xiàn)直徑的小尺度比λm和λd。該準(zhǔn)則以弗洛德重力相似定律為基礎(chǔ)，要求網(wǎng)線(xiàn)高度柔軟，為保證雷諾數(shù)相似，λ控制在10～15以?xún)?nèi)。此準(zhǔn)則對(duì)雷諾數(shù)有所限制，因此在一定程度上限制了試驗(yàn)條件和適用條件。

1.4 投影面積修正方法

Fredriksson[9]基于莫里森公式，考慮了水阻力系數(shù)的變化，采用網(wǎng)線(xiàn)投影面積修正的方法對(duì)網(wǎng)衣模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)。此方法考慮了由于原型、模型雷諾數(shù)差異導(dǎo)致的水阻力變化，不足在于網(wǎng)衣水阻力系數(shù)的變化規(guī)律需通過(guò)模型試驗(yàn)確定，而水阻力系數(shù)又受到雷諾數(shù)、網(wǎng)線(xiàn)的投影面積系數(shù)及沖角等因素的影響，試驗(yàn)工作量大且相關(guān)關(guān)系不易確定，此外，對(duì)網(wǎng)衣投影面積修正后，也未考慮網(wǎng)衣的重量變化。

1.5 面積幾何相似方法

2002年，桂福坤等[10]在開(kāi)展深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱研究工作初期，考慮模型比尺、網(wǎng)衣制作及網(wǎng)衣受力特點(diǎn)等因素，提出了面積幾何相似方法。網(wǎng)衣受力為流阻力，阻力取決于網(wǎng)衣面積，所以在保持網(wǎng)衣總尺度的幾何相似前提下，只需在網(wǎng)衣總尺度范圍內(nèi)使網(wǎng)線(xiàn)及節(jié)點(diǎn)的受力總面積取得幾何相似而不必強(qiáng)求網(wǎng)衣上網(wǎng)目尺寸和網(wǎng)線(xiàn)直徑的幾何相似。這種方法實(shí)現(xiàn)的一個(gè)最簡(jiǎn)單途徑就是在模型中仍采用原型網(wǎng)衣，這樣模型中網(wǎng)線(xiàn)直徑增加了λ倍，對(duì)應(yīng)網(wǎng)目數(shù)減少了λ2倍，網(wǎng)衣單個(gè)節(jié)點(diǎn)面積增加了λ2倍，但相應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)減少了λ2倍，因此模型中網(wǎng)線(xiàn)及節(jié)點(diǎn)的總受力面積恰好保持幾何相似。試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明直接采用原型網(wǎng)衣作為模擬網(wǎng)衣是合理和可靠的。

這種方法存在兩點(diǎn)不足：（1）模型網(wǎng)衣的重量加大了λ倍，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較小影響；（2）由于網(wǎng)衣厚度增加，網(wǎng)線(xiàn)跨距加大，網(wǎng)衣的剛度有所改變，對(duì)網(wǎng)衣的變形和受力結(jié)果有些影響。從試驗(yàn)結(jié)果看網(wǎng)衣變形會(huì)略偏小，而其受力值有所偏大。

1.6 變尺度方法

為克服田內(nèi)相似準(zhǔn)則在網(wǎng)箱模型試驗(yàn)中的困難，2005年李玉成等[11]提出采用重力相似準(zhǔn)則結(jié)合網(wǎng)衣變尺度的模型設(shè)計(jì)方法，并從受力和變形特性上論證此方法與田內(nèi)相似準(zhǔn)則在網(wǎng)衣試驗(yàn)中的一致性，從而到達(dá)解決網(wǎng)衣模型相似以及試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)的問(wèn)題。所謂變尺度模型是指對(duì)于網(wǎng)衣的整體尺寸采用與網(wǎng)箱其它部件相同的主模型比尺λ，而對(duì)于網(wǎng)目大小和網(wǎng)線(xiàn)直徑則采用另一較小的模型尺度λ'，從而減小模型網(wǎng)衣對(duì)水流流態(tài)的改變以及雷諾數(shù)的大幅變化，使試驗(yàn)條件盡量處于自動(dòng)模擬區(qū)，以保證水動(dòng)力相似并使網(wǎng)衣模型的制作可行。這樣，可以模型比尺可達(dá)到λ=20或更大，且波浪作用條件下的深水網(wǎng)箱模型試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)。由于網(wǎng)衣網(wǎng)目和網(wǎng)線(xiàn)直徑按照小尺度λ'縮放，該方法給出了具體的質(zhì)量及剛度差異的修正公式，并通過(guò)模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了變尺度方法的可行性與可靠性。將變尺度方法應(yīng)用到波浪試驗(yàn)中，不僅解決了田內(nèi)相似準(zhǔn)則對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的限制，也克服了狄克遜等準(zhǔn)則對(duì)模型比尺的約束，具有較好的適用性。

2 結(jié)論與展望

關(guān)于漁用網(wǎng)衣模型相似準(zhǔn)則，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同條件、不同角度進(jìn)行了諸多研究，取得了較多相關(guān)成果，從試驗(yàn)條件的拓展、模型比尺受限的解決到變尺度方法的應(yīng)用，均為漁用網(wǎng)衣模型試驗(yàn)的科學(xué)實(shí)現(xiàn)提供了積極的基礎(chǔ)依據(jù)，同時(shí)亦為進(jìn)一步推動(dòng)網(wǎng)衣構(gòu)件與其他構(gòu)件在工程上的聯(lián)合使用研究奠定了可靠的理論基礎(chǔ)保障。進(jìn)入21世紀(jì)，網(wǎng)箱養(yǎng)殖設(shè)施工程裝備日趨向深水、大型化發(fā)展，漁用網(wǎng)衣的使用將愈加廣泛。目前我國(guó)正進(jìn)行金屬網(wǎng)箱改良測(cè)試及試點(diǎn)應(yīng)用推廣研究階段，金屬網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性研究是網(wǎng)箱實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵基礎(chǔ)工作，而開(kāi)展金屬網(wǎng)衣的研究是一項(xiàng)主要內(nèi)容。考慮到金屬網(wǎng)衣的特殊性，因此在今后一段時(shí)間內(nèi)，金屬網(wǎng)衣的模型相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)問(wèn)題需學(xué)者們認(rèn)真研究。

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