捕魚拖網形狀與張力特性的數值模擬與水槽試驗

劉莉莉，胡夫祥，萬 榮，鄭 基，高 敏，朱媛媛，董舒闖

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捕魚拖網形狀與張力特性的數值模擬與水槽試驗

劉莉莉1,2，胡夫祥3，萬 榮4,5，鄭 基1,2，高 敏3，朱媛媛3，董舒闖3

（1. 浙江海洋大學水產學院，舟山316004； 2. 浙江省海洋漁業(yè)裝備與技術研究重點實驗室，舟山316004； 3. 東京海洋大學，東京 1080075； 4.國家遠洋漁業(yè)工程技術研究中心，上海 201306； 5. 上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306）

為更好地利用數值模擬方法了解拖網的形狀與張力變化特性，該文通過有限元計算方法和水槽試驗的手段，以日本某四片式中層拖網模型為例，構建了拖網的水動力學特性數學模型，并進行了相應的水槽模型試驗。通過計算值與試驗值的比較，分析了拖網的形狀變化（網口高度、網口寬度以及網身長度）、各部分受力變化（空綱拉力和拖網網衣目腳張力分布變化）以及相關的配線問題，說明仿真模型可以對拖網在水流中的變化進行有效模擬。拖網空綱力的試驗值與計算值誤差約為10%，網口高度、網身長度符合較好，網口寬度的平均誤差小于10%。模型拖網網身中浮沉子綱、力綱及其周邊網目受力較大，網囊部分受力較小，隨著流速增加，上下網片比左右網片受力更大。同時，數值模擬計算可以為拖網配線提供量化依據，然而由于拖網類型多樣，不同設計導致張力分布不同，故此需要具體類型具體分析。該研究結果表明，該文數值計算模型可以有效進行拖網的仿真模擬，為設計和改進拖網提供參考。

試驗；計算機仿真；模型；拖網；形狀；張力

0 引 言

拖網漁具由網衣、綱索以及屬具組成，是一種具有網囊和網翼的移動過濾性網漁具[1-2]。拖網是中國各大海區(qū)的主要漁具之一，在中國海洋漁業(yè)中占據重要地位[3-5]。拖網的性能與網口張開、網口形狀、網形伸展、網衣配線有著密切關系。其中，網口張開面積及網口形狀會影響到在拖網拖曳過程中魚類的入網情況[6-8]；若局部網衣網形無法得到充分伸展，不僅浪費材料，而且也會增加阻力；而配線過粗時，在增大阻力的同時，也會提高生產成本，但配線過細時又會造成網身發(fā)生破裂[9]。

當前，海上實測和水槽模型試驗是研究網具性能最為普遍的2種方法[10]。但是，海上實測對人力、物力耗費較大，受海況條件影響明顯，更關鍵的問題是海上實測過程中無法對漁具形狀進行準確判斷[11]。水槽模型試驗雖可以應用相似準則對漁具作業(yè)狀態(tài)進行物理模擬，但是由于按比例縮小后的網衣模型尺度較小，很難對網身中局部網線的張力進行測量。

數值模擬計算作為與水槽模型試驗相輔的研究手段，已得到了越來越多研究人員的關注。Hu等[12]通過數值模擬的方法建立了一個包含曳綱、網板、拖網在內的拖網系統(tǒng)，通過靜力學解析，對拖網作業(yè)過程中拖速、網板深度、網袖間距之間的參數關系進行了分析。Lee等[13-14]在建立中層拖網系統(tǒng)的基礎上，利用模糊邏輯法設計了拖網深度控制系統(tǒng)，以曳綱張力作為控制輸入，建立一個簡化模型以直觀地了解拖網系統(tǒng)的變化，并分析拖網在不同拖速作用下形狀的變化，包括網具高度、寬度及長度的變化。Prat等[15-16]針對拖網的整個系統(tǒng)建立簡化模型，雖未計算網形及其在不同拖曳條件下的變化，但對曳綱張力、網板擴張和受力情況給出了一些相關結論。Sun等[17-18]模擬了拖網漁船在中層水域進行捕撈作業(yè)時的情況，對拖網、網板、曳綱、力綱以及漁船建立數學模型進行分析計算。Priour[19-21]通過有限元數值模擬的方法分析了在拖網作業(yè)過程中漁獲物對整個拖網系統(tǒng)的影響。陳英龍等[22]運用集中質量法，對拖網網具系統(tǒng)進行網孔合并，且簡化后進行仿真分析，并通過海上試驗驗證了其大型中層拖網系統(tǒng)數學模型的準確性。

在上述諸多研究中，一部分是從拖網系統(tǒng)整體的角度將模型進行了簡化，其中，以考慮曳綱張力的居多，但較少涉及到網身各部分網線張力以及張力分布情況等問題，造成始終未提出一個合理的依據去劃分拖網各部分網衣的配線問題，拖網設計時通常只能靠經驗進行網衣配線。再者，相比于國外研究，中國在應用數值模擬方法開展對拖網的水動力學特性的研究方面尤顯不足。

本文應用有限元方法，對不同流速下的拖網網形變化以及網身目腳張力分布進行計算與分析，且將結果以3D圖像形式呈現，為中國拖網網型優(yōu)化設計以及合理進行各部分網衣配線提供參考。

1 材料與方法

1.1 數值模擬方法

數值模擬采用有限元方法，根據文獻[23-26]中的描述，考慮拖網在水流作用時會大位移變形，由此建立拖網在離散系統(tǒng)的總位能，表示如式（1）。根據最小位能原理，當這個離散體系處于平衡狀態(tài)時其總位能取最小值，即和，從而可以得到關于單元節(jié)點位移D和張力g的矩陣表達式。

（2）

，=1,2,…,. （3）

式中D為節(jié)點的位移；為材料的楊氏模量；F為在第個節(jié)點上的作用力；A為第個網目腳的橫截面積；T為作用于第個網目腳上的張力；L0為第個網目腳的初始長度；L為第個網目腳受力變形后的長度；為整個拖網系統(tǒng)結構的總自由度；為結構的總要素數。

式（2）的{}表示各個單元所受的外力，包括重力、浮力、沉力、水動力等。水動力部分則采用宮崎芳夫[27]的方法進行計算。

1.2 拖網模型

1.2.1 拖網模型的設計制作

1）該模型網以日本四片式中層拖網為母型網，采用PA網線進行編織，每片網衣均由橫向8目，縱向21.5目構成，網目尺寸以及網線粗細均自網袖和網口處向網囊方向逐漸遞減。

2）該模型網以網板安裝處作為固定點，每個網板處分別牽引出一條上空綱和一條下空綱，每條長度2 m，分別連接于浮子綱和沉子綱的兩端，由此共形成4個連接點。網身上，4片網衣縫合形成一個筒狀，每片網衣連接處縫制一條力綱，總共4條力綱。另外，網口處設置浮子綱和沉子綱各一條。浮子綱上裝配有12個浮子，每個浮子直徑2 cm，均勻分布于浮子綱的網目結節(jié)上；沉子綱上以6和7 g的鉛墜相間隔的順序裝配在沉子綱與網衣連接的結節(jié)處；在網袖（沉子綱處）與下空綱連接處，左右各安裝一個質量為75 g的沉子。

拖網模型主體網衣規(guī)格尺寸如表1所示，拖網網袖結構示意圖如圖1所示。網袖、力綱、浮子綱及側綱等尺寸如表2所示。

表1 拖網模型主體網衣規(guī)格尺寸

表2 拖網部分尺寸

1.2.2 拖網計算模型的初始形狀

在對拖網進行數值計算之前，對拖網的初始形狀進行一個設定，即假設拖網從網袖部分到網囊部分是一個近似圓錐的形狀。圖2表示的是拖網模型在三維坐標系中的初始設定形狀，圖2a-圖2d分別為模型拖網的初始三維立體圖、側視圖、前視圖以及俯視圖。每一個網目目腳看作一個有限單元，網身處共有目腳單元2 836個，每根空綱分成4段，4根空綱共16個線單元，總計2 852個單元。計算中，單元與單元的連接方式視為鉸接，連接點為節(jié)點，網身處共有1 385個節(jié)點，加上空綱上的節(jié)點，整個拖網系統(tǒng)包含1 399個節(jié)點。

1.3 水槽模型試驗設置

本次拖網模型水槽試驗是在日本東京海洋大學大型水平循環(huán)水槽中進行。水槽的觀測部長度為9.0 m，寬為2.2 m，水深為1.95 m，流速可控制在0～2.0 m/s 范圍內。試驗過程中，采用日本計測技術研究株式會社生產的螺旋槳式流速計（VO.101A,測量精度0.5%以內）對流速進行測量；針對不同流速水流作用下的拖網模型形狀，利用設置在水槽側面及底部觀測窗的2臺數碼照相機同時進行拍攝記錄。試驗流速控制在0.4～0.9 m/s范圍內，0.1 m/s為一個間隔進行測試。試驗裝置如圖3所示。

2 結果與分析

2.1 拖網空綱拉力變化分析

圖4表示拖網空綱拉力與流速之間的關系，且對比了計算值與試驗值。拖網空綱拉力隨著流速的增加呈冪函數形式增大，速度較大時比速度較小時符合情況更好，平均誤差在10.5%，保持在一個較小的誤差范圍。

2.2 拖網網形變化分析

當流速穩(wěn)定時，拖網系統(tǒng)整體處于一個平衡狀態(tài)，圖5表示拖網數值模擬在0.5～0.8 m/s流速下網形的變化情況。

左側和右側的試驗照片分別由安裝在側面和底部的2臺相機拍攝。隨著流速增加，同側連接拖網的上空綱與下空綱之間的夾角在逐漸減小，網口上下間距在不斷減小，結合圖6a可知拖網網身有輕微拉長，但并不明顯。另外，由于浮子體積大于沉子，造成浮子綱所受水流阻力更大，當流速較小時，浮子綱在軸方向上較沉子綱靠后，但隨流速的增加和網口的變化，浮子綱與沉子綱在軸方向上的間距差異逐漸減小。這一特性在計算中也有所體現，但不如試驗中效果明顯。

圖6表示拖網網身長度、網口高度以及網口寬度在0.5～0.9 m/s流速下其試驗值與計算值的變化情況。從網身長度變化角度來看，計算值比試驗值略小，基本接近，平均誤差3.4%；網口高度的計算值與試驗值符合良好，平均誤差4.2%；網口寬度計算值較明顯大于試驗值，但平均誤差值小于9.3%，造成該誤差大于前二者的原因如下：隨著流速增加，模型網的左右兩片網衣在水流作用下比上下兩片網衣更為松弛，此部分向后方漂移更大，而計算時側向力的計算使網衣橫向擴展更加飽滿，造成網口寬度計算值比試驗值出現較大誤差。

從圖5以及圖6b、圖6c可以看到，隨著流速不斷增加，拖網網口高度呈現一個逐漸降低的趨勢，而網口寬度則相反不斷變大。原因是浮子的浮力和沉子的沉力是固定的，當流速較小時，浮力和沉力在軸方向上的力比重較大，使網口高度得到充分擴張，而隨著流速增加，在軸方向上所受到的阻力增大，即浮子綱所受合力和沉子綱所受合力與軸方向的夾角均變小。當流速大于0.8 m/s時，由于拖網本身已處于較為拉緊的狀態(tài)，網口高度及網口寬度的變化幅度則會越來越小。

2.3 拖網網身網線張力變化分析

圖7分別描述拖網數值模擬在0.5～0.8 m/s流速下的前視圖，圖中不同顏色顯示了網線張力變化。每張圖片右端是一段比色棒，從藍色往紅色的顏色變化表示張力逐漸增大。由于模型拖網中網目張力以1 N以下居多，為更好地呈現各網目目腳張力之間的差異，對于張力≥1 N的網目目腳全部以比色棒最頂端的紅色顯示。

通過對拖網網身目腳張力變化進行對比分析，得到如下結果：

1）相對整體變化過程來講，當流速增加時，拖網網身顏色趨于一個從冷色較多的狀態(tài)逐漸變化到暖色較多的狀態(tài)。換言之，拖網網線張力隨著流速的增加呈現一個增大趨勢，流速越大，多數的網線張力越大。對于某些張力小，且變化不明顯的網線，可以考慮與網型設計有關。由此推論，在設計拖網時，某些部位的網線始終得不到張力拉伸，說明該部位的網衣設計不夠合理，可以加以改進。

2）在流速較小時，上、下兩片網片中網線張力與左、右兩片網片中網線張力大小的差異較小，但當流速逐漸增大時，逐漸出現上、下兩片網片中網線張力大于左、右兩片網片中網線張力，且流速越大，差別越明顯。原因是網口縱向變小，橫向變寬，使得上下兩片網片得到充分伸展。但是，緊靠浮沉子綱后部網線張力并非很大，而是其后的網身部分中越靠近力綱的網線張力越大。

3）拖網系統(tǒng)中浮子綱和4條力綱的顏色接近比色棒上端，說明隨著流速增加，力綱上張力大小逐漸增大，當流速達到一定值時，力綱處于完全拉緊狀態(tài)，當流速持續(xù)增大時，力綱張力雖會有增加，但對網形的影響程度已經逐漸減弱。而隨著網口高度減小，寬度增加，浮沉子綱張力在增加的同時，側綱張力的變化并不明顯。

4）拖網系統(tǒng)中網囊部分的各網線基本接近藍色，說明網囊處張力相對其他部分來說要小很多。因此，網囊網線張力受水流影響較小，其受力主要來源于漁獲物的重力。

3 討 論

1）網具阻力和綱索上受到的拖曳力通常是漁具研究中最為關注的問題之一。郁岳峰等[28]對探捕船搭載的四片式和六片式深水拖網開展過實際海域的試驗研究，了解到網具阻力隨拖曳速度增加呈現冪函數上升。熊沢泰生等[29]通過開展拖網模型試驗來研究拖網漁具性能，得出拖網手綱張力隨拖曳速度增大而增加，當流速較低時，張力緩慢增加，流速增高時，曳綱張力迅速變大。本次數值模擬結果與水槽模型試驗結果均顯示了拖網空綱拉力與流速呈冪函數關系。

2）陳雪忠等[30]提出四片式拖網網口擴張與L/L（側網與背網或腹網橫向拉直長度的之比值）相關，L/L值越大，網口垂直擴張以及掃海面積越小，并建議四片式拖網設計時L/L值應小于1。本文中的四片式拖網除在網口與網袖前端處其側網尺寸比背（腹）網略小，其他部位基本一致。在流速增加的過程中，網口變化較明顯，尤其在流速變大時，網口垂直擴張要明顯小于網口水平擴張。同時，陳雪忠等[30]還提出拖網網袖長度與掃海面積及拖曳阻力呈正比例變化關系等；王明彥等[31]指出網身長度與網口周長大小的比值對拖網水動力性能有一定影響。在本次研究中，數值模擬和水槽模型試驗并未從網袖長度、網身長度以及網口周長角度對拖網進行研究，因此無法比對上訴結論，但對今后的研究方向具有一定的指導作用。另外，網口張開與浮沉力大小也是密切相關的，網口擴張及網身形狀伸展是流速、浮沉力以及網型本身設計的一個綜合結果。

3）張愛忠等[32]指出采用單線結強力相同且直徑較小網線可以有效降低網具的阻力面積（線面積），減少能耗，但考慮價格因素，中國拖網網衣材料仍以PE捻線為主，因此，如何根據拖網各部分受力情況進行合理配線就顯得尤為重要。根據本次研究結果，拖網的浮沉子綱及力綱受力較大，力綱周圍網目受力也較為明顯。從數值模擬呈現3D圖像可知，當背（腹）網或側網在網袖至網身較靠前部分中存在張力一直較小且變化不明顯的網線，則意味著該部分設計不夠合理，需進行改善，如改變網型或變換局部網線粗度。與靠經驗來配線相比，采用數值計算可以更準確地掌握網線張力分布情況，進而達到合理配線的目的。

在本研究中所采用的拖網模型中，該拖網網衣部分總共有網目目腳單元2 836個，處于同一受力范圍的目腳單元數量比例隨著流速的增加而增加，在0.5 m/s的流速下，張力大于2 N的目腳只有2個，如圖8所示，張力小于0.2 N的目腳數量占總單元數比例為90%；在0.8 m/s的流速下，張力大于2 N的目腳有26個，占總單元數比例為0.92%，張力小于0.2 N的目腳數量占比70%。由此可見，通過數值計算，可以為合理進行拖網配線提供量化的依據，甚至可以根據需要對數據進行處理后擬合出包含張力、流速、網線比例等多因素的公式，而網線在拖網上的具體分配方法，可以參考圖7，從而彌補了水槽試驗難以測量網目張力的缺陷。不過，由于拖網類型的不同設計，張力分布也有所不同，所以在配線問題上不能形成一個統(tǒng)一的標準，必須具體類型具體分析。

4 結論與討論

本研究應用有限單元法建立拖網系統(tǒng)在水流作用時的數值計算仿真模型，并相應地開展水槽模型試驗，數值模擬結果與試驗結果良好吻合，并就拖網形狀和張力變化特性得到以下結論：

1）隨著流速增加，拖網拖曳力呈冪函數形式增長，試驗值與計算值誤差在10%左右。拖網同側上下空綱角度逐漸減小，網身長度有輕微拉伸，網口高度減小，網口寬度增加，試驗與計算符合良好，網口寬度的平均誤差稍大，但小于10%；

2）在水流作用下，浮子綱較沉子綱位置靠后，兩者間距的差異隨著流速增加而減小。流速對拖網網形變化的影響幅度在流速達到較高值后將隨著流速的增加而減?。煌暇W網身中，浮沉子綱、力綱及其周邊網目受力較大，網囊部分受力較小，隨著流速增加，拖網網身大部分網目受力增加，上下網片比左右網片受力更大；網囊處張力一直較小，可見拖網作業(yè)過程中網囊受力主要來自于漁獲物的重力；

3）本文的四片式拖網在0.5 m/s的流速下，張力小于0.2 N的目腳數量占總單元數比例為90%；在0.8 m/s的流速下，張力大于2 N的目腳占總單元數比例為0.92%，張力小于0.2 N的目腳數量占比70%。數值模擬計算可以為拖網配線提供量化依據，然而由于拖網類型多樣，不同設計導致張力分布不同，故此需要具體類型具體分析。

數值模擬方法的目的是對復雜漁具及其在不同作業(yè)條件下漁具形狀和各部分受力情況進行模擬分析，本次研究證實該模型的有效性。在今后的研究中，將通過改變拖網綱索、網身及網囊結構、配線參數、附加漁獲物等情況進行研究，為接下來的拖網設計和改進提供參考。

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Numerical simulation and flume experiment of shape and tension force characteristics of fishing trawl

Liu Lili1,2, Hu Fuxiang3, Wan Rong4,5, Zheng Ji1,2, Gao Min3, Zhu Yuanyuan3, Dong Shuchuang3

(1.,316004,; 2.,316004,; 3.,1080075,; 4.,201306,; 5.,201306,)

Trawls are funnel-shaped nets that are towed by vessels along different water column. According to different fishing requirement and species behaviors, numerous variations for trawls exist. The performance efficiency and fuel efficiency of trawl are largely influenced by designing, which has direct affinity with net mouth opening, net body shape, netting elongation and twine distribution. Comparing with flume tank tests, the numerical model is more convenient to carry out, and also can easily obtain the tension distribution of mesh bars which otherwise is difficult to measure in water tank experiment. In order to know the shape and tension variation characteristics of trawl, in this study, a nonlinear mixed method was used to determine the equilibrium configuration and tension distribution of a trawl set in a uniform current. The method was based on finite element formulation, and the mesh bars were modeled as straight mesh bar elements which were connected with other elements by a frictionless hinge. Meanwhile, an experimental trawl model for measuring hydrodynamic characteristics was also generated, which took a kind of Japan four-seam mid-water trawl as an example. The model of trawl was made of PA (Polyamide). Measuring speed of current was set between 0.4 to 0.9 m/s. In the experiment, the photos from side view and vertical view were synchronously taken in each current velocity. Besides, the width and height of net mouth, the length of trawl body, and the tension force of leg line were all measured. Then, the corresponding simulation model of the trawl was established and solved using MATLAB based on the mathematical model with the number of mesh bar elements of 2 852 and the number of the knots of 1 399. By comparing the calculation results with measured values from circulating water tank model test, it showed that both of the leg line tension and shape of trawl generally agreed well. The tension distributions of mesh bars of trawl were also presented.The results of shape and tension variation characteristics of trawl were concluded as follows: 1) The drag force of leg line increased by power with the increase of current velocity. Average error between calculation and experimental results was about 10%. As the velocity increased, the angle of same-side upper and lower legs gradually decreased, net body length prolonged, height of net mouth narrowed corresponding with the widening of net mouth. The numerical values of width of net mouth were a little higher than experiment results, but the average error of which was within 10%. 2) The position of float line was behind sinker line in x-axis because of the flow effect, but the distance from each other diminished if current velocity increased. The effect of current velocity to shape change of trawl weakened if current velocity had been comparatively large. 3) The tension of float line, sinker line, lace rope and its surrounding mesh bars were comparatively high, while the force of cod end were small. As increase of the current velocity, the tension of most meshes of net body was increased. Moreover, the tension of up and bottom panels of trawl were larger than left and right panels. 4) Tensions of cod-end were much smaller than other parts. The force on cod-end would be mainly from the weight of catch. 5) Numerical calculation can provide quantitative theory for reasonable twine distribution of trawl. However, owing to the difference of tension distribution caused by different design of each types of trawl, it was difficult to obtain a unified standard among all of the trawls for the twine distribution problem. The mathematical method in this study can be used to effectively simulate the operating status of trawls, which included shape and tension force characteristics. Our results can provide reference for design and improvement of trawl.

experiments; computer simulation; models; trawl; shape; tension

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.009

S972.13

A

1002-6819(2017)-09-0069-07

2016-11-08

2017-04-08

國家自然科學基金青年基金（41606110）；浙江省自然科學青年基金（LQ14C190002）；浙江省自然科學基金（LY14C190005）；浙江海洋大學科研啟動費

劉莉莉，女，博士，研究方向為漁業(yè)工程與技術。舟山 浙江海洋大學水產學院，316004。Email：liulili2001@163.com

劉莉莉，胡夫祥，萬 榮，鄭 基，高 敏，朱媛媛，董舒闖. 拖網形狀與張力特性的數值模擬計算與水槽試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(9)：69－75. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.009 http://www.tcsae.org

Liu Lili, Hu Fuxiang, Wan Rong, Zheng Ji, Gao Min, Zhu Yuanyuan, Dong Shuchuang. Numerical simulation and flume experiment of shape and tension force characteristics of fishing trawl[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 69－75. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.009 http://www.tcsae.org