六角形目經編網片和菱形目有結絞捻網片水動力性能比較研究

許永久，黃洪亮，王 磊，馮春雷，張 勛，周愛忠，張 禹

（中國水產科學研究院東海水產研究所，農業部海洋與河口漁業重點開放實驗室，上海 200090）

海水養殖網箱是我國近年來發展較快的漁業設施，隨著網箱的養殖已逐步推向海況條件更為復雜的灣外半開放或開放海域，對網衣材料性能和網片的結構提出了更高的要求[1-4]。目前，國內外對網箱網片的研究多集中于網片的力學性能和數學模擬研究[1-7]，有關六角形目和菱形目等不同結構網片之間的比較研究已有部分作者報道，但主要偏重于其材料性能和拉伸力學性能[8-10]，對于六角形網目網片的水動力學性能的研究，宋偉華等[3]對其進行過理論分析，未從試驗角度去驗證。李玉成、詹杰民等[11，12]通過模型試驗對有結、無結網片的水阻力系數進行比較分析，對不同結構網片之間的分析較少涉及。本文通過網箱網片模型試驗，研究2種規格網片在不同水平縮結、不同流速下的阻力性能和水平與垂直運動變化，以期為網箱設計和漁用網片的選配提供數據參考，同時，本試驗通過對六角形目網片網目尺寸探討和試驗分析，為六角形目網片的設計和計算提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

網片模型試驗在東海水產研究所網具模型試驗水池進行。試驗靜水池主尺度：90 m（長）×6 m（寬）×3 m（深），拖車車速范圍0～4.0 m/s時，相對精度P≤1%，測力系統使用Lu-A型測力傳感器，量程1 000 N；測力儀器的線性誤差小于滿量程的0.05%。

1.2 試驗網片及裝配

試驗網片為規格1.7 m×1.7 m的方形網片，平面框架為1.7 m×1.7 m的可拆卸的剛性框架，其模型按相關標準制作[13]，具體參數見表1。網片框架，固定于方形浮體上，浮體前端連接測力傳感器由拖車牽引。網片固定：根據縮結系數，網片四周固定在1.7 m×1.7 m的剛性框架上，網片框架由浮體4個角的繩索系緊固定。網片不固定：根據縮結系數，網片上部固定在1.7 m×1.7 m剛性框架上部，網片底端框架保留作重力牽引，兩端框架均移出。框架具體裝配如圖1所示。

圖1 網片框架裝配圖Fig.1 The layout of the frame system for the plane net

表1 實物網片及模型網片的主參數Tab.1 The main characteristics of full scale trawl nets and model trawl nets

1.3 試驗方法

本試驗采用《拖網模型試驗水池試驗方法》：漁具模型試驗準則1（田內準則）進行[14]。模型大尺度比（λ）和小尺度比（λ′）均為 1。

1.3.1 網片阻力的測定和計算

模型網片和框架阻力通過測力傳感器直接讀取，并經過2個傳感器數據處理后得到迎流方向總阻力，在同樣速度下測得框架阻力，即得網片阻力=框架網總阻力-框架阻力，由于模型網（Fm）與實物網（Fs）大小尺度比均為1，Fm=Fs。在0.5～2 kn的相對流速范圍內,對2種規格的模型網片進行阻力和水平、垂直運動變化試驗。由于在靜水池中采用拖動模型網片的辦法來進行試驗,故拖車的拖速作為水流速度。

1.3.2 2 種結構網片試驗

試驗選用六角形網目、菱形目有結絞捻網目2種網片，試驗依次編號為N（0）、N（1）、N（2），網片的狀態分為固定N（G）、不固定N（BG）。試驗組合如下：

N（0）—N（G，BG）：為無網狀態，平面框架固定與不固定試驗；

N（1）—N（G，BG）：為六角形網目網片，a=16.7mm，縮結系數分別為 0.65、0.707、0.60；

N（2）—N（G，BG）：為菱形目有結絞捻網目網片，a=26mm，縮結系數分別為 0.65、0.707、0.60。

水平位移（Horizontal displacement，L）：運動過程中，網片底部與前部的水平間距（圖2）。

與水平面垂直距離（H1）：運動過程中網片底部與水平面之間的垂直距離（圖2）。

垂直位移（Vertical displacement，H2）：運動中網片底部位置與靜止時網片底部位置的垂直間距（圖2）。

六角形結構網目尺寸的計算：根據網目尺寸計算標準，按相鄰3個六角形網目拉緊長度（包括3個連接邊長，可視為菱形目結構的結節）的1/3測量結果可以看出（圖3），六角形結構網目尺寸實際為4a，是菱形目的2倍。H1為與水平面垂直距離，H2為垂直位移，L為水平位移。

圖2 網片的水平和垂直位移變化Fig.2 The variation of HD and VD

圖3 六角形網目尺寸計算示意Fig.3 Sketch map of hexagonal mesh size calculation

2 結果與分析

2.1 相同規格網片不同水平縮結系數下流速與阻力之間關系

如圖1所示，網片固定時，在不同水平縮結系數（0.65、0.707、0.6）條件下的阻力均隨流速的增加而增加，其中六角形網目網片在水平縮結系數0.65時，阻力最低，水平縮結系數為0.6時，阻力次之，當縮結系數為0.707時，網片的阻力最大。有結絞捻菱形網目網片，在較低流速時（V＜1.5 kn），水平縮結系數為0.60時阻力最小，0.65時阻力最大。較高流速下（V＞1.5 kn），水平縮結系數0.60時阻力最大，0.707時阻力最小。菱形目有結網片試驗結果，在水平縮結系數范圍內（0.60～0.707），隨著縮結系數的增加，網片阻力有減小趨勢，與網片的線面積有關。根據相關理論計算可以得到，菱形目有結網片，在Et=0.707時，線面積最少，阻力組小。這與我國學者鐘若英和周應祺等[17，18]結論相似。六角形目網片線面積根據計算，得到Et=0.707時最小，Et=0.60時最大。而試驗中六角形目網片阻力變化卻與此趨勢相反，可能與其特殊的網目結構有關，也可能為網片的線面積隨縮結系數差異太小，致使引起的阻力值變化。六角形目網片在0.5 kn流速時的網片最大阻力差值為10.192 N，2.0 kn時最大阻力差值為18.718 N，兩者的變化率為83.7%。固定時的網片阻力變化說明在水平縮結系數（0.60～0.707）范圍內，網片的有效投影面積變化不大。網片不固定時，在水流作用下產生垂直水平位移，受流線面積減小，平均阻力比固定時阻力小很多。從圖1中（c，d）可以看出，隨著流速的變化，受縮結影響，網片阻力差值變化也逐漸增大。由于網片不固定，縮結系數不僅對線面積產生影響，而且由于網片的密實度變化會引起網片漂流傾角變化。從而造成迎流面積發上變化，影響網片的阻力。

2.2 相同縮結系數下不同結構網片流速與阻力關系

固定網片阻力在V＞1.0 kn時普遍高于不固定網片，在較低流速下（V＜0.5 kn），固定網片與不固定網片阻力相差不大（圖 2）。圖 2（a，b，c）所示，網片固定時，2種網片之間的阻力差值隨流速有增加的趨勢。根據菱形網片線面積計算公式[17]：SX=4 ad×TtNn，計算網片線面積。Et為0.65、0.707、0.60時，有結絞捻目網片的線面積分別為0.468 3 m2、0.462 1 m2、0.482 2 m2（考慮結節影響，結節dk/d=3）。六角形目網片的線面積按照定義結合上述網目尺寸計算方法，Et為0.65、0.707、0.60時，分別為0.604 7 m2、0.573 6 m2、0.640 9 m2（六角形目網片由于其結構特殊，其網目尺寸無計算標準，本方法考慮其為正六角形，具體在討論中進行了分析）。根據網片阻力計算公式R=Cx×ρSV2，網片阻力與其線面積有關。六角形目網片線面積較大，阻力因而較大，與試驗結果吻合。六角形目網片的尺寸（a=16.7 mm）較小，比菱形目網片（a=25）小40%，是其線面積較大，阻力大原因之一。另外，六角形目網片垂直邊為雙線結構，是其線面積增加的又一原因。

不固定網片在低流速下（V＜1.5 kn），網片阻力變化趨勢與固定網片相同，六角形目網片阻力較大，無結菱形目網片阻力較小。流速V＞1.5 kn時，菱形目有結絞捻網片阻力較大，六角形目網片阻力較小。由于不固定網片的阻力受流速、結構變化影響較大，試驗中，網片形成傾角和拱度，線面積等計算較為復雜。因此其阻力之間的比較仍需要更進一步試驗分析。

2.3 網片的水平位移與垂直位移運動變化

2.3.1 相同網片不同縮結系數下水平和垂直位移變化

網箱網片的水平垂直運動，關系到其在水中的變形，網片不固定時，下加框架，牽引網片運動。試驗中，最小流速時（0.5 kn），網片變形不大，形成網片曲面也不明顯。此時在忽略網片拱度條件下，網片的斜邊長度X可視為網片起初靜止時距水平面距離，得。垂直位移H2=X-H1。圖6為2種網片在不同水平縮結下水平垂直位移隨流速的變化關系，水平垂直位移與流速成指數關系。可以看出，相同網片水平和垂直位移受縮結影響較小，說明不同縮結系數對于網片的變形影響較小。水平垂直位移均隨著流速的增加而增大。相同流速下，水平位移的變化比垂直位移變化大。主要由于起始時，水平方向上影起阻力大于網片向上運動的力，圖 6（a，b，c）中可以看出，六角形目網片和有結絞捻網片，在Et=0.707時水平位移均最小，在Et=0.60時最大。這種變化趨勢與其受到的阻力有很大影響。垂直位移的變化規律與水平位移相似，2種結構網片在Et=0.60時，垂直位移均最大，在Et=0.707，0.65時，垂直位移較小。最后比較認為，相同網片的水平位移與縮結關系不明顯。垂直位移在縮結范圍內（0.60～0.707）隨著縮結減小有逐漸增大的趨勢。

圖4 網片固定時阻力與流速關系（固定與不固定）Fig.4 Relationship between fishing net resistance and velocity of flow during fixation or not

圖5 相同縮結網片阻力與流速關系Fig.5 Relationship between fishing net resistance and velocity of flow during the same Et

2.3.2 相同縮結系數不同網片水平和垂直位移變化

網片的結構差異引起其阻力變化，也相應的影響其運動變化。相同縮結系數下網片水平和垂直位移隨流速的變化關系如圖7所示，比較發現，六角形目網片水平和垂直位移在不同縮結下均較大，有結絞捻網片水平和垂直位移均較小。圖 7（a，b，c）所示，六角形目網片水平位移比有結絞捻平均大32.6%，垂直位移大31.8%。而在Et為0.65、0.707、0.60時六角形目網片比有結絞捻網片分別大29.1%、24.1%、32.9%。六角形目網片水平垂直位移最大與其線面積有關，由于網片在水中的受流面積變化影響網片的阻力和流態的變化，線面積越大，其受流面積越大，受到的作用力也越大。通過比較發現，網片阻力引起的位移變化占顯著作用，但其他因素也對運動變化有影響，如流態的影響等。有結絞捻網片線面積計算值偏大，說明其結節的用線量考慮過多，其結節在水中所受的作用力有限。

圖6 不同縮結系數下流速與水平和垂直位移關系Fig.6 Relationship between displacement variation andvelocity of flow in different Et

圖7 不同網片流速與水平和垂直位移關系Fig.7 Relationship between displacement variation and velocity of flow during the same Et

3 討論

3.1 六角形目網片的縮結和網片線面積計算

六角形目網片網目尺寸和縮結的研究國內較少報道，僅見國外有相關研究，本次實驗選用六角形結構主要考慮其在國內網箱和遠洋拖網漁業中有較多應用[3，15]。傳統觀點認為，六角形目網片在作業中可降低漁具阻力，增大拖網速度，在網箱中，使用六角形目網片可使網箱的容積變化率較小，網箱易于移動[16]。六角形網片縮結系數根據定義計算，假設試驗中六角形為正六角形。其縮結系數按照有關文獻[3，17，18]計算可得，六角形目網片水平縮結系數Et分別為0.65、0.707、0.60時，En為0.88、0.853 5、0.90。線面積計算如圖3所示，將六角形目網片垂直邊視為菱形的結節，然后按傳統方法進行線面積計算（由于垂直邊為雙線，每個網目計算線面積時，增加一個垂直邊的線面積）。得到其Et為0.65、0.707、0.60時線面積分別為0.604 7 m2、0.573 6 m2、0.640 9 m2。同理，有結絞捻目網片在 Et為 0.65、0.707、0.60 時的線面積為 0.468 3 m2、0.462 1 m2、0.482 2 m2。2種網片的線面積計算時，考慮網線的粗度平均（d=2 mm），六角形為正六角形，有結絞捻網片結節直徑dk與網線線徑d關系為dk/d=3[17，18]。

3.2 水平縮結系數差異對網片阻力及運動的影響

相同網片，不同縮結系數之間的差異對網片的阻力性能和運動有影響，根據有關結論，菱形網片在水平縮結系數為0.707時，網片的利用率最大，用線量最小[17]。有結菱形絞捻網片阻力，在縮結0.707時，阻力最小，而在稍小的縮結下（0.65，0.60）阻力較大，與此觀點相符。試驗選取的縮結系數均在最佳縮結之內。隨著縮結系數的增加，網片的用線量逐漸減少，阻力降低。在縮結為0.65～0.707之間時，網片的用線量和線面積差異不明顯。這也說明在越接近最佳縮結時，網片的阻力和運動變化越相近。根據有關研究[3]，六角形目網片在Et=0.866時，網片的用線量最小，與菱形目網片相同，在縮結越接近0.866時，網片的用線量越小，阻力越小。試驗中，六角形網片阻力值隨縮結的這種變化趨勢正好相反，可能因為六角形網目尺寸較小，以及六角形直邊使用雙線，網線粗度（d）增加，使得d，a等因素在阻力中的影響增加。也可能是縮結系數之間的線面積的差異不明顯，造成了阻力結果較為接近。圖3-a中也可看出，縮結0.707與0.60幾乎接近。

根據我國有關學者的聚乙烯網片阻力計算公式[18]：R90=k×SsV1.8(R90-網片與水流垂直時阻力kg；Ss-網片線面積；k-阻力系數，取最大值58.2)，試驗中，有結菱形目網片阻力與計算結果基本相符，相差不大。六角形目網片在Et=0.707時，阻力最大，與線面積公式計算結果不符，可能受網目結構的影響，具體原因有待更多試驗分析。縮結系數差異對于水平垂直位移的影響不大，可能與縮結系數引起的阻力差異有關。由于網片不固定時的流態和運動較復雜，縮結的變化對其影響有待后續研究。

3.3 網片的差異對于網片阻力和運動變化的影響

六角形目網片，縮結在Et=0.866時，網片的縮結面積最大，利用率最高，與菱形網片最佳縮結0.707存在差異，其值比菱形網片最佳縮結系數0.707大，當菱形網片最佳縮結時，用線量最少，六角形網片用線量未達到最少。由平面網片的一般公式可知，網片阻力與線面積及網目尺寸相關，六角形目網片線面積較大，阻力最大，與試驗結果趨勢吻合。而有結絞捻網片的計算阻力比試驗阻力稍大（平均計算阻力/試驗測試阻力=1.08），原因主要是與有結絞捻網片網線光滑，在試驗過程中與水摩擦力較小，而六角形經編網片其網線表面粗糙帶毛邊，與水摩擦力，造成了試驗阻力較大，而實際計算時，并沒有考慮這些因素。另外，理論計算考慮結節直徑過大，也是造成有結絞捻網片計算線面積過大的原因。網片的運動變化隨網片結構差異而變化，因為受阻力的影響，網片的水平垂直位移發上相應的變化。阻力對于運動變化起顯著作用，但試驗結果比較發現，其他因素如流態等也對網片運動變化產生影響。

3.4 網片的阻力性能以及設計分析

深水網箱中，網衣（網片）是主要受力部分，根據相關研究，整體網片阻力占整個網箱箱體阻力的88.9%[19，20]。改善網片網衣的性能對于提高整個箱體的性能有明顯的益處。經編網片是網箱中廣泛使用的網具材料[21，22]，主要為避免網片結節對魚體表面傷害的影響。而在試驗中，有結絞捻的阻力性能和運動變化均優于六角形經編網片，與絞捻網片的網線光滑，水摩擦力較小有關。六角形目網片的結構與菱形不同，從試驗結果發現，六角形目網片在相同縮結時，阻力更大，與傳統觀點認為六角形目網片節省阻力略有差異。說明網線粗度d和網目結構對阻力的影響要大于縮結對阻力的影響，具體需要進一步的試驗分析。

[1]袁軍亭.網片的三維力學模型研究及應用[D].上海：上海水產大學,2007：8-17.

[2]宋偉華,楊永位.六角形目孔片的研究[J].水產科技情報,1999,26（6）：248-251.

[3]FREDRIKSSON D W,SWIFT M R，IRISH J D，et al.Fish cage and mooring system dynamics using physical and numerical models with field measurements[J].Aquacultural Engineering,2003,27：117-146.

[4]BALDWIN K，CELIKKOL B，STEEN R，et al.Open aquaculture engineering:mooring and net pen deployment[J].Mar Technol Soc J,2000,34(1)：53-67.

[5]王 飛,丁天明.圓柱形網箱錨繩受力特性的數值模擬[J].海洋水產研究,2007,28（2）：36-44.

[6]COLBOURNE D B，ALLEN J H.Observations on motions and loads in aquaculture cages from full scale and model scale measurements[J].Aquacult Engineering,2001,24(2)：129-148.

[7]FREDRIKSSON D W.Open ocean fish cage and mooring system dynamics[D].Durham,NH:The University of New Hampshire,2001.

[8]石建高,王魯民,徐卓君.高強度聚乙烯菱形網目經編網片的力學性能初步研究[J].中國海洋大學學報：自然科學版,2006,36（3）：410-414.

[9]石建高,王魯民.漁用高強度聚乙烯和普通聚乙烯六角形經編網片的拉伸力學性能比較研究[J].海洋水產研究,2007,28（6）：72-76.

[10]張立英,侯恩淮,張春桂.用計算機計算拖網網片的剪裁與吃扣縫合[J].中國水產科學,1994,1(1)：61-64.

[11]李玉成,桂福坤,張懷慧,等.深水養殖網箱試驗中網衣相似準則的應用[J].中國水產科學,2005,12(2)：179-186.

[12]詹杰民,胡由展,趙 陶,等.漁網水動力試驗研究及分析[J].海洋工程,2002,20(2)：49-59.

[13]SC/T 4014-1995拖網模型制作方法[S].北京：中國標準出版社,1995.

[14]SC/T 4011-1995拖網模型水池試驗方法[S].北京：中國標準出版社,1995.

[15]許永久,張 敏,鄒曉榮,等.我國智利竹筴魚中層拖網網具性能研究[J].上海水產大學學報,2008,17(2)：215-221.

[16]王魯民,黃洪亮,王明彥,圓形重力式網箱阻力性能研究[J].中國海洋大學學報:自然科學版,2006,34（4）：555-559.

[17]鐘若英,趙瑞生,王維權.漁具材料與工藝學[M].北京：中國農業出版社,1996：177-189.

[18]周應祺,許柳雄,何其渝.漁具力學[M].北京：中國農業出版社,2004：51-71.

[19]黃洪亮,王魯民,王明彥,等.網衣縮結對圓柱形網箱性能影響的初步研究[J].海洋漁業,2004,26（3）：215-219.

[20]章守宇,劉洪生.飛碟形網箱的水動力學數值計算法[J].水產學報,2002,26(6)：519-528.

[21]鄭岳夫,李家樂,鄭凱宏,等.抗風浪圍網式軟網箱和傳統網箱養殖效果的比較[J].水產學報,2002,26(增):8-13.

[22]張 健,孫滿昌.碟形網箱網片阻力理論計算探討[J].海洋漁業,2002,24(增刊)：75-79.