拖網(wǎng)網(wǎng)板性能與國內外應用研究進展

王 磊，萬 榮，余雯雯，朱文斌，張 勛，馮衛(wèi)東

(1 上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2 中國水產(chǎn)科學研究院東海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠洋與極地漁業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，上海200090；3 浙江省海洋水產(chǎn)研究所，浙江 舟山316021；4 中國水產(chǎn)有限公司，北京100160)

拖網(wǎng)網(wǎng)板是應用于拖網(wǎng)漁具以擴張網(wǎng)口的重要漁具構件。網(wǎng)板水動力性能的研究目的在于優(yōu)化網(wǎng)板的結構參數(shù)，提高網(wǎng)板的擴張性能，研究的方法主要是通過理論分析計算與模型試驗等手段，獲得網(wǎng)板的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和力矩系數(shù)，以分析網(wǎng)板水動力性能的優(yōu)劣。自20世紀中期，國內外的研究人員對網(wǎng)板水動力性能進行了廣泛和深入的研究，研究主要聚焦于網(wǎng)板的型式結構差異對網(wǎng)板水動力性能的影響，探索網(wǎng)板水動力性能的研究理論與方法[1]。網(wǎng)板水動力性能的研究理論與試驗研究已有豐富的研究基礎，隨著全球性漁業(yè)捕撈的發(fā)展，高性能漁具的設計與優(yōu)化是提高漁具選擇性和捕撈效率的重要技術，高性能網(wǎng)板的設計與研究也是當前國內外研究的主要方向。

文獻計量分析是通過數(shù)學與統(tǒng)計方法來分析文獻信息，以評價和預測某一學術領域的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[2]。本文基于文獻計量分析方法梳理了國內外拖網(wǎng)網(wǎng)板水動力性能及應用研究文獻，總結了拖網(wǎng)網(wǎng)板研究進展，提出拖網(wǎng)網(wǎng)板的型式結構優(yōu)化及生產(chǎn)應用研究的建議。

1 國內外網(wǎng)板研究概況文獻計量分析

1.1 國際拖網(wǎng)網(wǎng)板性能研究概況

基于“web of science核心合集”數(shù)據(jù)庫，以 “otter board”和“trawl door”為主題詞，時間檢索跨度為 2000年到 2019 年，進行文獻檢索，得到相關文獻120篇(圖1)。

其中，“Article”文獻119篇，“review”文獻1篇。由圖1可見，2015年的年文獻達到17篇，2015年之后5年內發(fā)表文獻量占近20年文獻量的40.8%，表明網(wǎng)板研究的關注度日益增加。

基于美國德雷塞爾大學(Drexel University)陳超美(Chaomei Chen)博士開發(fā)的 CiteSpace軟件，將檢索到的120篇文獻數(shù)據(jù)通過可視的形式，分析關于網(wǎng)板研究的前沿和熱點信息[3]。圖2呈現(xiàn)出的是世界范圍內網(wǎng)板研究文獻所在國家的網(wǎng)絡地域圖譜，圖中用“年輪(圓圈)”的大小和顏色反映某一國家論文發(fā)表的總量與發(fā)表時間，年輪半徑與文獻數(shù)量成正比，年輪的顏色表示文獻發(fā)表時間(暖色表示趨于近期)。

從圖2中可以看出，美國發(fā)表文獻最多(30篇)，占總量的25%，其后依次是澳大利亞20篇、英國15篇(England,Scotland and Wales)、意大利11篇、西班牙11篇、丹麥9篇、挪威9篇、中國8篇、法國8篇和日本8篇。節(jié)點連線及粗細表示國家間合作文獻及數(shù)量，連線的顏色表示該共現(xiàn)關系第一次發(fā)生的年份(暖色代表近年)。由圖2可見，中國所在節(jié)點的年輪環(huán)主要為黃色(暖色)，表明中國近幾年發(fā)表相關文獻較多，從節(jié)點連線可以看出，中國與國外研究單位的研究合作較少。

關鍵詞代表了文獻涉及的領域和內容，通過對關鍵詞的詞共現(xiàn)網(wǎng)絡分析，可以發(fā)現(xiàn)學科的研究熱點。使用CiteSpace軟件對文獻關鍵詞共現(xiàn)分析(圖3)，圖中的圓形節(jié)點表示關鍵詞節(jié)點，其節(jié)點半徑表示出現(xiàn)頻次，頻次高的關鍵詞一般表示一段時間內該領域的研究熱點和前沿；年輪的色環(huán)及環(huán)徑表示不同時段出現(xiàn)頻次，顏色從藍色(冷色)到紅色(暖色)的變化表示時間從早期到近期，節(jié)點若出現(xiàn)紅色外圈，表示其被引頻次曾經(jīng)或仍在急劇增加[4]；節(jié)點之間的連線表示關鍵詞共現(xiàn)關系，其粗細表明共現(xiàn)的次數(shù)，顏色對應節(jié)點第一次共現(xiàn)的時間，連線顏色的變化與節(jié)點年輪色環(huán)的變化趨勢一致。由圖3中可見，關鍵詞共現(xiàn)頻次最高的為“fishery”和“behavior”，其次研究的焦點為“disturbance”“impact”“bottom trawl”“efficiency”“design”和“otter board”，可見，關于網(wǎng)板的研究方向主要是在漁業(yè)(fishery)生產(chǎn)中，拖網(wǎng)作業(yè)(otter trawl，bottom trawl)對魚類(fish)行為(behavior)和魚類棲息地(habitat，benthic community)的影響(impact)和擾亂(disturbance)，并在拖網(wǎng)漁獲物分析(catch，bycatch，bycatch reduction)的研究中考慮網(wǎng)板(otter board)的影響；在網(wǎng)板的設計(design)與性能(performance)方面，研究熱點為水動力性能(hydrodynamic characteristics)、研究方法(CFD analysis，modeling，numerical simulation，flow visualization)和設計參數(shù)(cambered plate，angle)等。

1.2 國內網(wǎng)板性能研究概況

數(shù)據(jù)源選擇中國學術期刊網(wǎng)(CNKI)全文數(shù)據(jù)庫-期刊，選擇“主題”，搜索 “拖網(wǎng)網(wǎng)板”以及“otter board”，時間不限。經(jīng)篩選剔除，得到國內(第一作者單位在中國)發(fā)表期刊文獻72篇(不包括會議論文等)，其中，研究類文獻66篇，綜述類文獻6篇，對檢索結果做文獻計量分析。

由圖4可見，關于拖網(wǎng)網(wǎng)板研究的論文在CNKI上最早見于1974年，2015年之后發(fā)表的拖網(wǎng)網(wǎng)板研究相關文獻共計32篇，占總文獻量的44.4%?？梢姡瑸檫m應中國漁業(yè)捕撈的發(fā)展及漁具的產(chǎn)業(yè)和技術需求，對網(wǎng)板性能的研究日益增多。

圖5是關于國內拖網(wǎng)網(wǎng)板研究文獻的關鍵詞共現(xiàn)分析圖譜，圖5中節(jié)點及連線的特征說明與圖3相同，以分析中國在拖網(wǎng)網(wǎng)板研究領域的主要內容和關注焦點。由圖5可見，中國對于網(wǎng)板的研究注重于網(wǎng)板設計與網(wǎng)板性能的研究，如通過“模型試驗”研究“拖網(wǎng)網(wǎng)板”的“水動力性能”，性能參數(shù)包括“網(wǎng)板”的“升力系數(shù)”“升阻比”“壓力中心系數(shù)”和“傾角”等；采用“水槽試驗”“風洞試驗”“力學計算”和“數(shù)值模擬”等方法，研究網(wǎng)板的“影響因素”，如“展弦比”“葉板尺度”“導流板”和“導流翼”等；通過“理論分析”，研究“拖網(wǎng)作業(yè)”中網(wǎng)板的“拖越力”和“撞擊力”；“模型試驗”結合“配合計算”來分析“拖網(wǎng)系統(tǒng)”中“有效拖力與漁具匹配”關系。圖5中可見，近年，對于網(wǎng)板“水槽試驗”結合“數(shù)值模擬”來研究“流場可視化”的關注度較高。中國發(fā)表的外文期刊文獻(圖5右下英文區(qū)域)研究內容也多聚焦于采用數(shù)值模擬(numerical simulation)等方法來研究網(wǎng)板(otter board)的水動力性能(hydrodynamic characteristics)。與國外文獻研究熱點相比，國內較少關注網(wǎng)板拖網(wǎng)作業(yè)對于海洋生態(tài)系統(tǒng)及漁業(yè)資源的影響，如網(wǎng)板對于海底魚類棲息地的影響等。

通過國內外關于拖網(wǎng)網(wǎng)板研究的文獻計量分析，可以初步掌握世界各國在網(wǎng)板研究方面的研究動態(tài)，并呈現(xiàn)網(wǎng)板研究領域的前沿熱點。綜合而言，網(wǎng)板的設計及性能研究是國內外共同關注的熱點，其研究思路都是基于拖網(wǎng)漁業(yè)需求，設計網(wǎng)板型式與結構參數(shù)(包括翼板彎度、翼板角度和縫口參數(shù)等)，通過模型試驗(水槽模型試驗、風洞試驗)、數(shù)值模擬等手段開展網(wǎng)板的水動力性能研究，以達到優(yōu)化網(wǎng)板性能的目的。以下將基于研究文獻，針對研究熱點內容從網(wǎng)板性能的影響因素和網(wǎng)板性能研究方法兩個方面進行分析論述。

2 網(wǎng)板性能的影響因素

2.1 主體型式

拖網(wǎng)網(wǎng)板的型式多樣，常見的主要有矩形V型網(wǎng)板、大展弦比網(wǎng)板和立式V型曲面網(wǎng)板等[5]，不同類型網(wǎng)板具有不同的性能特點，以滿足不同的拖網(wǎng)作業(yè)要求。如矩形V型網(wǎng)板成本低、易維修，目前多用于近海的小型底拖網(wǎng)作業(yè)；大展弦比網(wǎng)板的升力系數(shù)較高，多用于中層拖網(wǎng)作業(yè)；立式V型曲面網(wǎng)板的水動力性能高、穩(wěn)定性好，可以適應多種水層的拖網(wǎng)作業(yè)。不同型式的網(wǎng)板具備不同的結構和性能特點，如矩形V型網(wǎng)板的結構簡單，水動力性能較差，但由于其穩(wěn)定性較好，可以適應不同類型的海底拖網(wǎng)作業(yè)需求；大展弦比的擴張效率較高，但穩(wěn)定性較差，易翻倒，因此多用于中層拖網(wǎng)作業(yè)；立式V型曲面網(wǎng)板水動力性能優(yōu)異，但結構復雜，成本較高，在遠洋大型拖網(wǎng)捕撈作業(yè)如南極磷蝦拖網(wǎng)漁業(yè)多采用此類型網(wǎng)板。另外，相似型式的網(wǎng)板通過改變結構可以優(yōu)化其水動力性能，如相比普通平面網(wǎng)板，雙縫開口結構優(yōu)化可提高擴張力18.7%以上[6]。網(wǎng)板翼板的形式結構也對網(wǎng)板水動力性能有直接影響，如王磊等[7]基于雙開縫曲面網(wǎng)板開展了網(wǎng)板的導流板形狀變化對性能的影響研究，試驗表明，凸梯形導流板設計具有較高升阻比(圖6)。

展弦比概念源于機翼理論，是影響網(wǎng)板性能的重要設計因素[7]。研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)板展弦比的增加會造成網(wǎng)板背面的渦流區(qū)減小，阻力降低[8]，最大升力系數(shù)則是先變大后變小[9]。從穩(wěn)定性的角度考慮，當展弦比過大時，更容易發(fā)生翻倒現(xiàn)象[10]。因此，底層拖網(wǎng)配備的網(wǎng)板多為小展弦比網(wǎng)板(展弦比小于1.20)，中層拖網(wǎng)網(wǎng)板多為展弦比較大的網(wǎng)板(展弦比2.0以上)，但目前使用的大展弦比網(wǎng)板的展弦比較少超過3.0。

2.2 翼板彎度

相比平面網(wǎng)板，曲面網(wǎng)板可以提高網(wǎng)板的擴張性能(升力系數(shù))，但同時也會增加網(wǎng)板阻力，降低網(wǎng)板的升阻比[11]。不同型式結構的網(wǎng)板，翼板彎度的設計也會隨之調整，以獲得相對較優(yōu)的水動力性能。如針對展弦比為1.5的立式曲面網(wǎng)板，翼板彎度為0.15時，升力系數(shù)超過1.6的沖角范圍更大[12]；而對于雙開縫曲面網(wǎng)板，導流板的彎度為0.12時具有較高的最大升阻比和最大升力系數(shù)，且穩(wěn)定性也較好[13]；對于矩形V型曲面網(wǎng)板，導流板彎度為0.09時網(wǎng)板具有較高的水動力性能[5]。

2.3 翼板角度

網(wǎng)板的翼板根據(jù)功能可分為導流板和主面板。導流板引導網(wǎng)板前部流態(tài)，可改善網(wǎng)板背部的渦流效應以降低網(wǎng)板阻力，并影響網(wǎng)板失速角的變化[14]。翼板角度的設計方式可以包括導流板與主面板的角度，以及多翼板之間的交錯角、多翼板尾部后端的后退角等，不同的角度設計對網(wǎng)板結構的影響較大，也直接關系網(wǎng)板水動力性能的變化，需要通過開展研究以獲取較優(yōu)的翼板角度組合。Wang等[15-17]通過系列風洞試驗分別研究了導流板的組合角度、主面板的角度變化等，試驗通過網(wǎng)板翼板的角度調整來優(yōu)化網(wǎng)板的水動力性能。Fukuda等[18]針對雙翼型結構網(wǎng)板開展了前后翼交錯角變化對水動力性能影響的研究分析，試驗針對前后翼的交錯角設計了7組角度(0°～60°)，研究發(fā)現(xiàn)交錯角的變化影響雙翼型網(wǎng)板升力系數(shù)的變化，在交錯角為30°時水動力性能最佳。王明彥等[19]基于立式V型曲面網(wǎng)板研究其上反角、后退角和展弦比的水動力性能變化，以升阻比為衡量指標，研究認為影響網(wǎng)板水動力性能的首要因素是上反角，其次是展弦比和后退角。

2.4 翼板縫口參數(shù)

網(wǎng)板通過在特定位置設計一定尺度的縫口，可適度降低網(wǎng)板阻力[20]。另外，為了提高網(wǎng)板的穩(wěn)定性能，提高網(wǎng)板在復雜海床的作業(yè)能力，也可以通過網(wǎng)板開縫的方式調整網(wǎng)板的穩(wěn)定性[18]，開縫式網(wǎng)板也是目前使用較多的一種網(wǎng)板型式。對于網(wǎng)板開縫與其水動力性能的影響關系，國內外學者都開展過研究，如劉健等[21]通過試驗研究表明，相比單縫網(wǎng)板，雙縫網(wǎng)板的最大升阻比較高。Park等[22]研究了單開縫網(wǎng)板的開縫寬度對其水動力性能的影響，結果表明，網(wǎng)板的開縫寬度為0.02C(C為網(wǎng)板弦長)時水動力性能較高，并利用CFD數(shù)值模擬進行了驗證。王錦浩等[23]研究了矩形V型曲面網(wǎng)板的開縫位置及開縫寬度對網(wǎng)板水動力性能的影響，研究表明，開縫位置距網(wǎng)板前緣距離為0.28L(L為網(wǎng)板弦長)，開縫寬度為0.08 m的網(wǎng)板具有較高的水動力性能。

3 網(wǎng)板性能研究方法

3.1 理論計算

理論計算是網(wǎng)板設計研究的基礎。網(wǎng)板設計離不開理論計算，從漁船與網(wǎng)板的拖力匹配計算，到網(wǎng)板的面積與重量設計、結構參數(shù)計算等[24]。通過模型試驗等研究手段獲得的網(wǎng)板水動力性能數(shù)據(jù)，需要通過理論計算來轉化到實際網(wǎng)板的設計應用中去，以推算網(wǎng)板阻力與升力、曳綱長度及網(wǎng)板的側傾狀態(tài)等[25-26]。

理論計算方法不斷發(fā)展，衍生出不同的算法和計算模型以應用于網(wǎng)板研究。如國外的學者利用離散元法(DEM)來分析研究網(wǎng)板實際作業(yè)中與海床之間的相互作用[27]；通過高精度計算流體動力學模型的算法，來分析多型式網(wǎng)板的水動力性能差異[28-29]。國內學者為了研究柔性網(wǎng)板的擴張性能，利用理論計算的方法為網(wǎng)板結構設計建立數(shù)值模型[30-31]。在算法研究方面，國外學者在網(wǎng)板性能計算理論系統(tǒng)的研究較為成熟，國內學者在其基礎上，更注重結合實際與生產(chǎn)需求來構建網(wǎng)板的理論計算方法。

3.2 水槽模型試驗

網(wǎng)板可作業(yè)于不同水層，其作業(yè)狀態(tài)難以實時觀測，其受力等性能數(shù)據(jù)也很難精確測量。網(wǎng)板水槽模型試驗是按照一定的模型試驗準則將實物網(wǎng)板縮小為網(wǎng)板模型，然后將模型安置于水槽中，通過連接的測力儀器獲取網(wǎng)板模型在不同流速、不同沖角，或者模擬自然海底等情況下的受力數(shù)據(jù)，來獲得網(wǎng)板的水動力性能參數(shù)，通過這種方法可以直觀地觀察網(wǎng)板的試驗狀態(tài)，為優(yōu)化網(wǎng)板性能提供精確的水動力數(shù)據(jù)[32]。

試驗水槽包括動水槽和靜水槽。靜水槽采用拖車帶動模型模擬水流，網(wǎng)板模型試驗通常與拖網(wǎng)模型試驗匹配開展。動水槽即循環(huán)水槽，采用造流和穩(wěn)流等設施來形成穩(wěn)定流速，安裝有固定的測力裝置來連接試驗模型，可以測量不同流速、不同沖角或傾角下的網(wǎng)板受力[33]。圖7a是采用小型循環(huán)動水槽開展網(wǎng)板模型試驗。國外的水槽試驗設備較為完善，研究者可以利用水槽研究實物網(wǎng)板與海床的相互作用試驗，并結合氫氣泡發(fā)生觀測網(wǎng)板的流態(tài)等[34]。隨著國內試驗設施條件的改善，對于網(wǎng)板水槽試驗的研究也將更為準確和直觀。

3.3 風洞模型試驗

風洞是研究空氣動力學的重要手段，可以開展飛行器、建筑、汽車等空氣中的動力學性能研究試驗。利用風洞試驗開展網(wǎng)板的水動力性能研究，其方法理論是基于漁具力學模型試驗準則，將水介質中的模型試驗換算為空氣介質試驗，利用漁具模型試驗田內準則的自動模型區(qū)理論，設計網(wǎng)板模型的尺寸與試驗參數(shù)，研究網(wǎng)板的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和壓力中心系數(shù)等，以衡量與優(yōu)化網(wǎng)板結構性能[35]。

網(wǎng)板的水動力性能研究類似于飛機機翼的動力學研究，基于飛機機翼升力等性能的研究方法，研究人員開發(fā)了網(wǎng)板的風洞試驗方法，通過三分力或六分力測力儀器獲得網(wǎng)板水動力性能數(shù)據(jù)(圖7b)。國外如Patterson等[36]通過風洞試驗研究網(wǎng)板模型的水動力性能，并與前期的理論計算結果進行對比驗證，提出了翼端理論。中國也早在20世紀50年代就開始利用航空低速風洞開展網(wǎng)板的模型試驗，并在網(wǎng)板結構優(yōu)化與應用方面開展了系列的風洞試驗，取得了良好的效果[37-38]。

3.4 網(wǎng)板CFD數(shù)值模擬及可視化研究

網(wǎng)板的水槽和風洞模型試驗雖然可以較為精確地測量網(wǎng)板水動力性能數(shù)據(jù)，但從設計制作模型到試驗的開展，費時較長且成本較高，另外，對于網(wǎng)板周圍流場流態(tài)的研究，雖然水槽試驗中可以通過線條法或者氫氣泡法等手段進行網(wǎng)板表面流態(tài)的簡略觀測[39]，但卻無法詳細掌握網(wǎng)板周圍的流態(tài)分布。網(wǎng)板周圍流態(tài)可視化，可用于掌握網(wǎng)板的流態(tài)變化規(guī)律，分析網(wǎng)板流體力特性變化的原因，為網(wǎng)板的改進提供一種直觀的手段。通過CFD數(shù)值模擬技術模擬網(wǎng)板周圍的流場，可快速、精確地計算和模擬網(wǎng)板的水動力數(shù)據(jù)和流態(tài)分布，實現(xiàn)模型試驗和CFD數(shù)值模擬技術的相互輔佐和驗證[40-41]。

近幾年對于CFD數(shù)值模擬網(wǎng)板性能研究的文獻發(fā)表較多，主要是利用數(shù)值模擬方法開展各種結構網(wǎng)板的水動力性能模擬。在CFD數(shù)值模擬研究算法方面，國外有文獻論述了通過優(yōu)化算法、減少計算迭代次數(shù)，可提高運算的效率和準確性[42-43]。國內學者在網(wǎng)板的數(shù)值模擬研究方面主要集中于網(wǎng)板水動力性能的分析應用，在結構強度設計方面也已開展相關的數(shù)值模擬研究[44]。

4 討論與展望

4.1 網(wǎng)板研究現(xiàn)狀與分析

首先基于國內外的研究文獻，利用文獻地域分布、關鍵詞共現(xiàn)分析等文件計量分析方法，掌握網(wǎng)板研究的國內外現(xiàn)狀，并篩查網(wǎng)板研究領域的熱點內容，然后針對網(wǎng)板性能的影響因素和研究方法展開分析論述。網(wǎng)板性能的影響因素選取了文獻計量分析中4個熱點因素，即網(wǎng)板的主體型式、翼板彎度、翼板角度和翼板縫口參數(shù)。分析認為，網(wǎng)板主體型式的設計選擇是網(wǎng)板設計的基礎，拖網(wǎng)作業(yè)與性能需求特點決定了網(wǎng)板主體型式，不同主體型式網(wǎng)板對于翼板彎度、翼板角度和縫口參數(shù)的設計也不相同，需要通過調整來優(yōu)化網(wǎng)板的性能；網(wǎng)板性能的研究方法從理論計算、模型試驗和CFD數(shù)值模擬進行論述，理論計算是網(wǎng)板性能研究分析的基礎方法，通過水槽模型試驗和風洞模型試驗可以獲取網(wǎng)板水動力性能的真實參數(shù)，而CFD數(shù)值模擬則提升了研究效率、節(jié)約了研究成本，幾種方法各有特點，隨著研究方法的多元化和試驗設施條件改善，網(wǎng)板性能的研究也將更加深入和系統(tǒng)。

4.2 網(wǎng)板應用研究與發(fā)展方向

網(wǎng)板性能研究的目的是基于不同形式的拖網(wǎng)作業(yè)需求，設計匹配最佳性能的網(wǎng)板以提高拖網(wǎng)捕撈效率。如南極磷蝦的捕撈特點是水層較淺、拖速較低、拖曳時間較短，需要網(wǎng)板具有質量輕、高擴張和易收放的性能特點，對此，研制了立式曲面中空式網(wǎng)板[45]和工程材料組合式網(wǎng)板[46]，降低了網(wǎng)板的質量，并具有較高的升力系數(shù)。高強度與功能性材料的研究應用為高性能網(wǎng)板的研制提供了技術基礎，也將成為網(wǎng)板研究的一個重要方向。隨著捕撈裝備與智能化技術的發(fā)展，可通過遠程控制系統(tǒng)使網(wǎng)板于作業(yè)狀態(tài)中進行自身結構的主動性調整，甚或結合大數(shù)據(jù)分析，根據(jù)偵測魚群信息進行結構擴張性能的自動調整，并匹配拖網(wǎng)實現(xiàn)海洋漁業(yè)的智能化捕撈。

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