雙臂架四片式蝦拖網(wǎng)水動力性能試驗研究

王倫國，李玉巖*，黃六一，張榮軍，馮衛(wèi)東

（1.中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，山東青島 266003；2.中國水產(chǎn)有限公司，北京 100160）

西非海域?qū)僦袞|大西洋（FAO 34區(qū)①FAO 34區(qū)主要是指36°N直布羅陀海峽至6°S剛果河口的大西洋東部海區(qū)），經(jīng)濟魚種眾多，漁業(yè)資源豐富［1］。僅塞拉利昂一國其年海洋漁獲量可達61 000 t以上，其中紅對蝦（Penaeus notialis）（同種異名Farfantepenaeus notialis）、紅斑對蝦（P.kerathurus）（同種異名Melicertus kerathurus）和大西洋仿對蝦（Parapenaeopsis atlantica）年漁獲量達到了970～2 200 t［2－3］。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）統(tǒng)計，水產(chǎn)品對當?shù)鼐用駝游锏鞍讛z入總量的貢獻達50%以上［4］。20世紀50年代起，西班牙、荷蘭、法國、韓國、日本和中國臺灣省等漁業(yè)較發(fā)達的國家和地區(qū)開始進入西非水域進行漁業(yè)生產(chǎn)，船只數(shù)量逐年增加。中國大陸從1985年開始在西非塞拉利昂等水域進行漁業(yè)生產(chǎn)作業(yè)，近年來在生產(chǎn)布局、發(fā)展規(guī)模、作業(yè)結(jié)構(gòu)和總體效益等方面都產(chǎn)生了較大的成就［5－6］。中國大陸在西非塞拉利昂海域的捕撈作業(yè)主要以雙臂架蝦拖網(wǎng)為主要作業(yè)形式。雙臂架蝦拖網(wǎng)網(wǎng)具采用四片式結(jié)構(gòu)，主要由背網(wǎng)、腹網(wǎng)及兩片側(cè)網(wǎng)組成。雙臂架蝦拖網(wǎng)在作業(yè)方式和網(wǎng)具結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的底拖網(wǎng)、桁架蝦拖網(wǎng)有著較大的區(qū)別［7］。

拖網(wǎng)漁業(yè)作為海洋漁業(yè)主要作業(yè)方式之一，具有靈活機動、捕撈效率高、作業(yè)范圍廣等特點，在捕撈作業(yè)中占有重要地位［8－9］。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者利用模型試驗、數(shù)值模擬和海上實測等方法，開展了拖網(wǎng)的基本水動力性能研究［10－11］、雷諾數(shù)與網(wǎng)具水動力系數(shù)的關(guān)系研究并對田內(nèi)準則進行了相應(yīng)修正［12－15］、模型準則對研究結(jié)果的影響研究［16－18］以及主要部件尺寸對拖網(wǎng)水動力性能影響研究［19］等，基于此，對拖網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計［20－22］。

自20世紀80年代中期中國大陸在塞拉利昂使用雙臂架蝦拖網(wǎng)進行遠洋捕撈作業(yè)取得成功以來，在考慮魚蝦混捕模式的基礎(chǔ)上，拖網(wǎng)網(wǎng)具結(jié)構(gòu)一直未進行大的改進。近年來，隨著捕撈強度增加，紅對蝦、紅斑對蝦等資源漁獲量開始下降［6］。由于漁業(yè)資源變化、漁船老化以及捕撈產(chǎn)量下降等問題的出現(xiàn)，開展專門針對蝦類資源捕撈的拖網(wǎng)研究十分必要。本文以在西非沿岸水域從事捕撈作業(yè)的西班牙441 kW 漁船用的雙臂架四片式蝦拖網(wǎng)為研究對象，通過水槽模型試驗研究其水動力性能，研究結(jié)果可為中國遠洋和近海雙臂架蝦拖網(wǎng)網(wǎng)具結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 模型網(wǎng)具

試驗選取的母型網(wǎng)為西非水域作業(yè)的西班牙441kW 漁船用的雙臂架蝦拖網(wǎng)（60.94 m×30.25 m），網(wǎng)具為四片式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)口周目數(shù)為1 108目，網(wǎng)口網(wǎng)目尺寸為55 mm，網(wǎng)衣材料為聚乙烯（polyethlene，簡稱PE），浮子綱長度為24.20 m，沉子綱長度為30.40 m。

試驗依據(jù)《SC／T4011—1995拖網(wǎng)模型水池試驗方法》［23］進行，采用田內(nèi)準則［24］，結(jié)合試驗水槽尺寸與網(wǎng)線材料，確定大尺度比λ＝5，小尺度比λ′＝1.4。圖1為換算的模型網(wǎng)圖，模型網(wǎng)與母型網(wǎng)剪裁斜率保持一致。根據(jù)小比例尺換算模型網(wǎng)的背網(wǎng)、側(cè)網(wǎng)與腹網(wǎng)的網(wǎng)線直徑為0.5 mm，模型網(wǎng)中網(wǎng)線均采用直徑0.5 mm的尼龍網(wǎng)線材料。模型網(wǎng)浮力配置所用浮球采用熔融沉積式快速成型技術(shù)（3D打?。┓椒ㄖ谱?，浮球個數(shù)與實物網(wǎng)保持一致；沉力采用鐵鏈配置。具體參數(shù)如表1和表2所示。

圖1 拖網(wǎng)模型網(wǎng)圖Fig.1 Sketch map of model trawl

表1 母型網(wǎng)與模型網(wǎng)主尺度參數(shù)Tab.1 Parameters of prototype trawl and model trawl

表2 母型網(wǎng)與模型網(wǎng)部件參數(shù)Tab.2 Component parameters of prototype trawl and model trawl

1.2 試驗設(shè)備與布設(shè)

水槽模型試驗在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所靜水槽中進行，水槽的主要尺度為：90 m×6 m×3 m（長×寬×深）。拖車驅(qū)動電機功率為7.5 kW×4，配有微處理機調(diào)速系統(tǒng)，拖速范圍0.4～4.0 m·s－1，勻速精度≤1%，速度精度±1%。光電測速儀精度±0.01%。測力傳感器量程200 N，非線性誤差為量程的0.4%。網(wǎng)高儀為日產(chǎn)HD-27T型網(wǎng)位探深儀，距離分辨率30 mm。

由于條件限制，模型試驗從空綱部分開始布設(shè)，上下空綱長度均為0.5 m。試驗布設(shè)如圖2所示，固定點1為拖車上安裝的調(diào)節(jié)桿（兩側(cè)分別布設(shè)），調(diào)節(jié)桿上分別裝配測量水平拉力的測力傳感器，傳感器所得合力即為網(wǎng)具所受的阻力。試驗中模型網(wǎng)具使用撐桿模擬網(wǎng)板控制上下空綱對網(wǎng)口垂直擴張的影響。本試驗中通過調(diào)節(jié)兩側(cè)調(diào)節(jié)桿的水平間距（L），可實現(xiàn)調(diào)整不同工況下網(wǎng)具的水平擴張比L/S（袖端間距與下綱長度之比），從而研究網(wǎng)口水平擴張對網(wǎng)具的阻力和網(wǎng)口高度的影響。網(wǎng)具的網(wǎng)口高度由網(wǎng)高儀測量距上綱中心處浮球的距離獲得。

圖2 試驗布設(shè)Fig.2 Layout of the experiment

1.3 試驗工況

根據(jù)拖網(wǎng)實際作業(yè)情況，試驗中L/S分別取0.30、0.35、0.40、0.45和0.50時，依據(jù)試驗準則設(shè)計5個試驗流速（表3）。

表3 實際作業(yè)拖速與試驗拖速Tab.3 Operational towing speed and testing towing speed

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗中測量模型網(wǎng)具的總阻力及網(wǎng)口高度，根據(jù)《SC／T4011—1995拖網(wǎng)模型水池試驗方法》標準換算為實物網(wǎng)的總阻力及網(wǎng)口高度。

實物網(wǎng)與模型網(wǎng)之間力學(xué)換算關(guān)系為：

式（1）中，F(xiàn)1為實物網(wǎng)受力（N），F(xiàn)2為模型網(wǎng)受力（N），λ為大尺度比，λ′為小尺度比，kf為阻力修正系數(shù)［13，25］。

實物網(wǎng)與模型網(wǎng)的網(wǎng)口高度換算關(guān)系為：

式（2）中，H1為實物網(wǎng)的網(wǎng)口高度（m），H2為模型網(wǎng)的網(wǎng)口高度（m）。

實物網(wǎng)能耗系數(shù)的計算公式為：

式（3）中，Ce為實物網(wǎng)在設(shè)定拖速下的能耗系數(shù)［kW·h·（104m3）－1］，F(xiàn)為該拖速下實物網(wǎng)的計算阻力（kN），H為該拖速下實物網(wǎng)的計算網(wǎng)口高度（m），L為該拖速下實物網(wǎng)袖端水平間距（m）。

2 結(jié)果與分析

2.1 網(wǎng)具阻力

拖網(wǎng)的阻力是拖網(wǎng)水動力性能的主要指標之一［26］，網(wǎng)具所受阻力與拖速和水平擴張比的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，網(wǎng)具所受阻力隨拖速的增加呈現(xiàn)冪指數(shù)關(guān)系上升，其關(guān)系可表示為：

圖3 網(wǎng)具阻力與拖速的關(guān)系Fig.3 Relationship between resistance and towing speed

式（4）中，F(xiàn)N為網(wǎng)具所受阻力，v為拖速，a1為系數(shù)，隨著L/S的增加而增加，取值范圍為2.41～2.97，指數(shù)b1與L/S無關(guān)，取值范圍為1.28～1.31。

阻力隨L/S增加呈現(xiàn)上升的趨勢。水平擴張比為0.5時比水平擴張比為0.3時的網(wǎng)具阻力增加了22.47%～26.53%。當拖速為2.19 kn時，L/S為0.5的網(wǎng)具所受阻力最大為8.46 kN。因此，可通過適當降低網(wǎng)具的水平擴張比來減少網(wǎng)具阻力，以提高漁船拖速。

2.2 網(wǎng)口高度

拖網(wǎng)的網(wǎng)口高度是影響漁獲效果的重要因素之一，合理調(diào)整網(wǎng)口高度有利于提高拖網(wǎng)捕撈效率［19］。一般拖網(wǎng)作業(yè)中，捕撈垂直移動或近底層魚類需要盡可能提高網(wǎng)口垂直擴張；捕撈底層魚類及蝦類等甲殼動物時，網(wǎng)口需盡量擴大水平擴張，垂直擴張則不宜過高。圖4為水平擴張比與網(wǎng)口高度及流速之間的關(guān)系。由圖4可知，網(wǎng)口高度隨著拖速及水平擴張比的增加呈現(xiàn)降低的趨勢，其關(guān)系可表示為：

圖4 網(wǎng)口高度與速度的關(guān)系Fig.4 Relationship between net opening and towing speed

式（5）中，H為網(wǎng)具的網(wǎng)口高度，v為拖速，a2為系數(shù)，隨著L/S的增加而減小，取值范圍為3.72～4.61，指數(shù)b2與L/S無關(guān)，取值范圍為－0.71～－0.69。

在拖速為1.27kn時，水平擴張比為0.5時比水平擴張比為0.3時的網(wǎng)口高度降低了16.67%；當拖速為2.19 kn時，網(wǎng)口高度降低了13.21%。由于該拖網(wǎng)主要用于蝦類捕撈，因此作業(yè)中可適當增加網(wǎng)具水平擴張比以降低網(wǎng)口高度，從而增加網(wǎng)具的掃海面積，提高捕撈效率。

2.3 拖網(wǎng)能耗系數(shù)

試驗網(wǎng)具的能耗系數(shù)與拖速和水平擴張比的關(guān)系如圖5所示。試驗拖網(wǎng)的能耗系數(shù)隨著速度的增加而快速上升，其關(guān)系可表示為：

圖5 能耗系數(shù)與拖速的關(guān)系Fig.5 Relationship between energy consumption coefficient and towing speed

式（6）中，Ce為拖網(wǎng)的能耗系數(shù)，v為拖速，系數(shù)a3的取值范圍為0.17～0.20，指數(shù)b3取值范圍為1.93～2.02。

網(wǎng)具的能耗系數(shù)與水平擴張比的關(guān)系不明顯。在低拖速下，水平擴張比的增加對能耗系數(shù)的影響不明顯，在拖速大于1.73 kn時，網(wǎng)具能耗系數(shù)隨著水平擴張比的增加緩慢降低。當拖速為2.19 kn時，L/S為0.5的網(wǎng)具能耗系數(shù)為0.84 kW·h·（104m3）－1，與L/S為0.30、0.35、0.40和0.45的網(wǎng)具相比，其能耗系數(shù)分別相對下降了12.53%、4.23%、3.01%和0.05%。

3 討論

本文中西非西班牙441 kW 漁船雙臂架蝦拖網(wǎng)（60.94 m×30.25 m）與中國大陸在莫桑比克735 kW 漁船使用的四項蝦拖網(wǎng)（40.3 m×20.8 m）均采用四片式結(jié)構(gòu)，但在設(shè)計上略有不同［7］。西班牙蝦拖網(wǎng)網(wǎng)蓋為矩形，上網(wǎng)袖相對長度較短（上網(wǎng)袖長比26.91%），網(wǎng)目大小均為55 mm；而莫桑比克蝦拖網(wǎng)使用梯形網(wǎng)蓋，上網(wǎng)袖相對長度較長（上網(wǎng)袖長比30.33%），網(wǎng)目大小均為65 mm。本研究用蝦拖網(wǎng)與莫桑比克蝦拖網(wǎng)的水動力性能［6］對比：

（1）在相同水平擴張比時，莫桑比克蝦拖網(wǎng)與本研究用蝦拖網(wǎng)所受阻力均隨著拖速的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，但本研究用拖網(wǎng)阻力明顯小于莫桑比克蝦拖網(wǎng)。在拖速為3 kn時，L/S為0.45的莫桑比克蝦拖網(wǎng)阻力最高達到14.51 kN，本研究用蝦拖網(wǎng)阻力約為11.57 kN，比莫桑比克蝦拖網(wǎng)阻力小約20.26%。

（2）兩頂蝦拖網(wǎng)的網(wǎng)口垂直高度均隨著拖速的增加而降低，在保持水平擴張比相同時，本研究用蝦拖網(wǎng)的網(wǎng)口高度低于莫桑比克蝦拖網(wǎng)，在拖速為3 kn時，L/S為0.45的本研究用蝦拖網(wǎng)網(wǎng)口高度約為1.86 m，比相同水平擴張比的莫桑比克蝦拖網(wǎng)垂直擴張系數(shù)低約11.43%。

（3）兩頂蝦拖網(wǎng)的能耗系數(shù)均隨著拖速增加快速上升，與水平擴張比的關(guān)系不顯著。在相同拖速和相同水平擴張條件下，本研究用蝦拖網(wǎng)的能耗系數(shù)低于莫桑比克蝦拖網(wǎng)。

綜上所述，在相同條件下，相較于莫桑比克蝦拖網(wǎng)，本研究用蝦拖網(wǎng)具有更小的阻力、更低的能耗系數(shù)與相對較低的垂直擴張系數(shù)，更有利于能源的節(jié)約與蝦類捕撈效率的提高。這與莫桑比克蝦拖網(wǎng)網(wǎng)線直徑與網(wǎng)片線面積系數(shù)（d/a）相對較大及網(wǎng)袖長度相對較長有關(guān)［27－29］。d/a相對較大使得網(wǎng)具阻流面積增大，而較長的網(wǎng)袖使得網(wǎng)具水平擴張增加，網(wǎng)衣對水流的沖角較大，從而增加了網(wǎng)具的阻力。因此在保證網(wǎng)具強度與穩(wěn)定性的前提下，適當減小d/a與網(wǎng)袖的相對長度，有利于減小網(wǎng)具所受阻力。此外本研究用蝦拖網(wǎng)網(wǎng)片數(shù)量較少、剪裁工藝更為簡單，更有利于網(wǎng)具制作。

4 結(jié)論

本文通過水槽試驗研究了西非西班牙441 kW 漁船用四片式蝦拖網(wǎng)的水動力性能，獲得以下結(jié)果：網(wǎng)具阻力隨拖速與L/S的增加而上升，且與拖速呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系；拖網(wǎng)的網(wǎng)口高度隨著拖速增加呈冪函數(shù)下降，隨著L/S的增加而下降；拖網(wǎng)的能耗系數(shù)隨拖速的增加呈冪函數(shù)上升。由于實際海上作業(yè)與模型試驗會存在一定的差異，因此該網(wǎng)具還需要通過海上生產(chǎn)測試調(diào)整，以提高網(wǎng)具性能，從而實現(xiàn)該網(wǎng)具在中國遠洋或近海蝦拖網(wǎng)漁船上的推廣應(yīng)用。

特別感謝中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所張勛、周愛忠、王永進、張禹等在模型實驗中給予的大力支持。