漁用網衣模型相似準則研究進展

陳昌平，李艷芳，鄭艷娜*，史憲瑩，危學良

（大連海洋大學 海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023）

漁用網衣作為一項重要的生產作業設施，在捕撈業及養殖業中發揮了重要的作用，尤其在目前網箱養殖業中，網衣的使用更加普遍。在漁業生產過程中由于受波浪、水流等惡劣海洋環境因素作用，網衣結構經常會發生破壞，嚴重影響了漁業生產的正常進行，并會造成不可估量的經濟損失。研究網衣在波流作用下的水動力響應特性，合理設計網衣結構，是解決制約網箱養殖業可持續發展的一個重要手段。傳統纖維類網衣為多孔小直徑柔性構件，在波流作用下的受力變形是一個復雜的動力響應過程，采用一般的理論分析計算，很難得出合乎實際的結果，因此采用模型試驗來研究網衣的水動力響應特性是通常采用的方法，而遵循科學合理的模型相似準則是進行模型試驗的首要前提?？紤]到網衣特殊的結構，針對試驗模型制作可行性及試驗條件，各國學者在模型相似準則設計方面進行了相關研究，得到了各類網衣相關水動力特性。本文主要對漁用網衣相似準則的研究進展進行了綜述。

1 研究進展

20世紀30年代以來，國內外學者采用理論分析與模型試驗方法，對漁具的水動力特性進行了相關研究。針對漁網特殊的結構，研究人員在采用模型試驗方法研究時逐步提出了一些相似準則與改進方法，如Tauti準則、W.Dickson準則和B.A.Christensen準則[1-2]等。

1.1 Tauti準則

20世紀 30年代，Tauti[3-5]在對棉麻等植物纖維漁具(主要是拖網)進行模型試驗發現，如果按同一幾何相似比尺制作模型，則難以找到所需的網線。Tauti認為判別流態特征的雷諾數Re(2×103～1.25×104)正好處在圓柱體阻力曲線的“自動模擬區”，在Re=103～1.8×105的區間內，阻力系數不變，網片阻力不受雷諾數的影響，并假設：(1)受力時網線的伸長度忽略不計；(2)網片是充分柔軟的；(3)網片受力變形慢且作用在網各部分的力是處于平衡狀態。Tauti根據網片阻力與網線直徑d和網目目腳長a的比值相關這一特性，認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，也不影響網衣阻力，因此在制作模型時，對于網衣總尺度選用大尺度比λ，對于網線直徑和網目目腳選用小尺度比λ′，同時為保持幾何相似，模型和原型網片的縮結系數必須相同。

Tauti準則存在的不足：(1)網具阻力系數是否處于“自動模擬區”？陳明義[6]認為各段網線與流向的夾角α不同，它們的阻力系數隨雷諾數的變化是不同的，而且由于網線間的相互影響和結節的影響，整個網具的阻力系數隨雷諾數的變化規律與一根垂直于流向的網線的阻力系數規律也不一樣，所以假定的依據不充分；顧惠庭[7]認為阻力系數保持一定，可能是由于格子型組合的網線相互干擾的結果,也可能是因為網線的表面結構與圓柱體不同而造成阻力系數特性不同，而實際上模型網和原型網的雷諾數相差很大，對阻力系數的影響不可忽略不計；(2)Tauti準則要求水流流速按照小尺度比的平方根縮小，限制了部分實驗條件的設計，因為在網箱試驗中不僅要考慮水流條件，同時需要考慮波浪條件。如按照田內準則設計試驗，則要采用相應的小尺度比對波浪進行縮放，但由此得到的波浪要素在實驗室內往往無法實現。

1.2 W.Dickson準則

20世紀50年代末，W.Dickson基于弗洛德定律提出了W.Dickson準則，主要應用于大尺度的棉麻植物纖維拖網試驗中[8]。W.Dickson準則前提條件為：(1)模型網上的浮子和沉子的密度與實物網相同；(2)網線材料須與實物網相同；(3)實際的升阻力并不總是與速度平方成正比，因此在線尺度比和速度比方面依據雷諾數Re應給予一定的限制。W.Dickson考慮到網衣結構的特殊性，對網目尺寸和網線直徑提出尺度比λm和λd，要求在選定大尺度比尺λ和小尺度比尺λm和λd時，必須考慮到模型網衣和原型網衣之間，雖然相應的雷諾數不一樣，但對應的阻力系數力求相同。按W.Dickson準則，一般要求網衣的模型比尺，λ≤8，λm、λd≤4。由于受這一條件限制，使得這一準則在深水養殖網箱模型試驗中難以運用。

1.3 B.A.Christensen準則

20世紀 70年代，B.A.Christensen[3]提出合成纖維制作的網具模型試驗換算準則，類似W.Dickson準則，對拖網選定大尺度比λ和網目尺寸與網線直徑的小尺度比λm和λd。該準則以弗洛德重力相似定律為基礎，要求網線高度柔軟，為保證雷諾數相似，λ控制在10～15以內。此準則對雷諾數有所限制，因此在一定程度上限制了試驗條件和適用條件。

1.4 投影面積修正方法

Fredriksson[9]基于莫里森公式，考慮了水阻力系數的變化，采用網線投影面積修正的方法對網衣模型進行了設計。此方法考慮了由于原型、模型雷諾數差異導致的水阻力變化，不足在于網衣水阻力系數的變化規律需通過模型試驗確定，而水阻力系數又受到雷諾數、網線的投影面積系數及沖角等因素的影響，試驗工作量大且相關關系不易確定，此外，對網衣投影面積修正后，也未考慮網衣的重量變化。

1.5 面積幾何相似方法

2002年，桂福坤等[10]在開展深水養殖網箱研究工作初期，考慮模型比尺、網衣制作及網衣受力特點等因素，提出了面積幾何相似方法。網衣受力為流阻力，阻力取決于網衣面積，所以在保持網衣總尺度的幾何相似前提下，只需在網衣總尺度范圍內使網線及節點的受力總面積取得幾何相似而不必強求網衣上網目尺寸和網線直徑的幾何相似。這種方法實現的一個最簡單途徑就是在模型中仍采用原型網衣，這樣模型中網線直徑增加了λ倍，對應網目數減少了λ2倍，網衣單個節點面積增加了λ2倍，但相應節點數減少了λ2倍，因此模型中網線及節點的總受力面積恰好保持幾何相似。試驗對比結果表明直接采用原型網衣作為模擬網衣是合理和可靠的。

這種方法存在兩點不足：（1）模型網衣的重量加大了λ倍，對實驗結果有較小影響；（2）由于網衣厚度增加，網線跨距加大，網衣的剛度有所改變，對網衣的變形和受力結果有些影響。從試驗結果看網衣變形會略偏小，而其受力值有所偏大。

1.6 變尺度方法

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

2 結論與展望

關于漁用網衣模型相似準則，國內外學者從不同條件、不同角度進行了諸多研究，取得了較多相關成果，從試驗條件的拓展、模型比尺受限的解決到變尺度方法的應用，均為漁用網衣模型試驗的科學實現提供了積極的基礎依據，同時亦為進一步推動網衣構件與其他構件在工程上的聯合使用研究奠定了可靠的理論基礎保障。進入21世紀，網箱養殖設施工程裝備日趨向深水、大型化發展，漁用網衣的使用將愈加廣泛。目前我國正進行金屬網箱改良測試及試點應用推廣研究階段，金屬網箱的水動力特性研究是網箱實現產業化的關鍵基礎工作，而開展金屬網衣的研究是一項主要內容。考慮到金屬網衣的特殊性，因此在今后一段時間內，金屬網衣的模型相似準則設計問題需學者們認真研究。

[1]佘顯煒. 論漁具模型試驗準則中的若干問題[J]. 浙江海洋學院學報: 自然科學版, 2004, 23(4): 328-333.

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[7]顧惠庭. 田內相似準則的雷諾數修正[J]. 水產科技情報,1978, 15: 18-21.

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[9]Fredriksson D W. Open ocean fish cage and mooring system dynamics[D]. UNH: PhD dissertation, 2001.

[10]桂福坤, 李玉成, 張懷慧. 網衣受力試驗的模型相似條件[J]. 中國海洋平臺, 2002, 17(5): 22-25.

[11]李玉成, 桂福坤, 張懷慧, 等. 深水養殖網箱試驗中的網衣相似準則應用[J]. 中國水產科學, 2005, 12(2): 179-187.