拖網網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，馮衛東

(1 上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2 中國水產科學研究院東海水產研究所，農業農村部遠洋與極地漁業創新重點實驗室，上海200090；3 浙江省海洋水產研究所，浙江 舟山316021；4 中國水產有限公司，北京100160)

拖網網板是應用于拖網漁具以擴張網口的重要漁具構件。網板水動力性能的研究目的在于優化網板的結構參數，提高網板的擴張性能，研究的方法主要是通過理論分析計算與模型試驗等手段，獲得網板的升力系數、阻力系數和力矩系數，以分析網板水動力性能的優劣。自20世紀中期，國內外的研究人員對網板水動力性能進行了廣泛和深入的研究，研究主要聚焦于網板的型式結構差異對網板水動力性能的影響，探索網板水動力性能的研究理論與方法[1]。網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，隨著全球性漁業捕撈的發展，高性能漁具的設計與優化是提高漁具選擇性和捕撈效率的重要技術，高性能網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學與統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狀與發展趨勢[2]。本文基于文獻計量分析方法梳理了國內外拖網網板水動力性能及應用研究文獻，總結了拖網網板研究進展，提出拖網網板的型式結構優化及生產應用研究的建議。

1 國內外網板研究概況文獻計量分析

1.1 國際拖網網板性能研究概況

基于“web of science核心合集”數據庫，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年內發表文獻量占近20年文獻量的40.8%，表明網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)博士開發的 CiteSpace軟件，將檢索到的120篇文獻數據通過可視的形式，分析關于網板研究的前沿和熱點信息[3]。圖2呈現出的是世界范圍內網板研究文獻所在國家的網絡地域圖譜，圖中用“年輪(圓圈)”的大小和顏色反映某一國家論文發表的總量與發表時間，年輪半徑與文獻數量成正比，年輪的顏色表示文獻發表時間(暖色表示趨于近期)。

從圖2中可以看出，美國發表文獻最多(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。節點連線及粗細表示國家間合作文獻及數量，連線的顏色表示該共現關系第一次發生的年份(暖色代表近年)。由圖2可見，中國所在節點的年輪環主要為黃色(暖色)，表明中國近幾年發表相關文獻較多，從節點連線可以看出，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網絡分析，可以發現學科的研究熱點。使用CiteSpace軟件對文獻關鍵詞共現分析(圖3)，圖中的圓形節點表示關鍵詞節點，其節點半徑表示出現頻次，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；年輪的色環及環徑表示不同時段出現頻次，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，節點若出現紅色外圈，表示其被引頻次曾經或仍在急劇增加[4]；節點之間的連線表示關鍵詞共現關系，其粗細表明共現的次數，顏色對應節點第一次共現的時間，連線顏色的變化與節點年輪色環的變化趨勢一致。由圖3中可見，關鍵詞共現頻次最高的為“fishery”和“behavior”，其次研究的焦點為“disturbance”“impact”“bottom trawl”“efficiency”“design”和“otter board”，可見，關于網板的研究方向主要是在漁業(fishery)生產中，拖網作業(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)，并在拖網漁獲物分析(catch，bycatch，bycatch reduction)的研究中考慮網板(otter board)的影響；在網板的設計(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(cambered plate，angle)等。

1.2 國內網板性能研究概況

數據源選擇中國學術期刊網(CNKI)全文數據庫-期刊，選擇“主題”，搜索 “拖網網板”以及“otter board”，時間不限。經篩選剔除，得到國內(第一作者單位在中國)發表期刊文獻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，關于拖網網板研究的論文在CNKI上最早見于1974年，2015年之后發表的拖網網板研究相關文獻共計32篇，占總文獻量的44.4%。可見，為適應中國漁業捕撈的發展及漁具的產業和技術需求，對網板性能的研究日益增多。

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

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

2 網板性能的影響因素

2.1 主體型式

拖網網板的型式多樣，常見的主要有矩形V型網板、大展弦比網板和立式V型曲面網板等[5]，不同類型網板具有不同的性能特點，以滿足不同的拖網作業要求。如矩形V型網板成本低、易維修，目前多用于近海的小型底拖網作業；大展弦比網板的升力系數較高，多用于中層拖網作業；立式V型曲面網板的水動力性能高、穩定性好，可以適應多種水層的拖網作業。不同型式的網板具備不同的結構和性能特點，如矩形V型網板的結構簡單，水動力性能較差，但由于其穩定性較好，可以適應不同類型的海底拖網作業需求；大展弦比的擴張效率較高，但穩定性較差，易翻倒，因此多用于中層拖網作業；立式V型曲面網板水動力性能優異，但結構復雜，成本較高，在遠洋大型拖網捕撈作業如南極磷蝦拖網漁業多采用此類型網板。另外，相似型式的網板通過改變結構可以優化其水動力性能，如相比普通平面網板，雙縫開口結構優化可提高擴張力18.7%以上[6]。網板翼板的形式結構也對網板水動力性能有直接影響，如王磊等[7]基于雙開縫曲面網板開展了網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，是影響網板性能的重要設計因素[7]。研究發現，網板展弦比的增加會造成網板背面的渦流區減小，阻力降低[8]，最大升力系數則是先變大后變小[9]。從穩定性的角度考慮，當展弦比過大時，更容易發生翻倒現象[10]。因此，底層拖網配備的網板多為小展弦比網板(展弦比小于1.20)，中層拖網網板多為展弦比較大的網板(展弦比2.0以上)，但目前使用的大展弦比網板的展弦比較少超過3.0。

2.2 翼板彎度

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

2.3 翼板角度

網板的翼板根據功能可分為導流板和主面板。導流板引導網板前部流態，可改善網板背部的渦流效應以降低網板阻力，并影響網板失速角的變化[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板結構的影響較大，也直接關系網板水動力性能的變化，需要通過開展研究以獲取較優的翼板角度組合。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，試驗通過網板翼板的角度調整來優化網板的水動力性能。Fukuda等[18]針對雙翼型結構網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°)，研究發現交錯角的變化影響雙翼型網板升力系數的變化，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

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

3 網板性能研究方法

3.1 理論計算

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

理論計算方法不斷發展，衍生出不同的算法和計算模型以應用于網板研究。如國外的學者利用離散元法(DEM)來分析研究網板實際作業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，來分析多型式網板的水動力性能差異[28-29]。國內學者為了研究柔性網板的擴張性能，利用理論計算的方法為網板結構設計建立數值模型[30-31]。在算法研究方面，國外學者在網板性能計算理論系統的研究較為成熟，國內學者在其基礎上，更注重結合實際與生產需求來構建網板的理論計算方法。

3.2 水槽模型試驗

網板可作業于不同水層，其作業狀態難以實時觀測，其受力等性能數據也很難精確測量。網板水槽模型試驗是按照一定的模型試驗準則將實物網板縮小為網板模型，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據，來獲得網板的水動力性能參數，通過這種方法可以直觀地觀察網板的試驗狀態，為優化網板性能提供精確的水動力數據[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，網板模型試驗通常與拖網模型試驗匹配開展。動水槽即循環水槽，采用造流和穩流等設施來形成穩定流速，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板受力[33]。圖7a是采用小型循環動水槽開展網板模型試驗。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板與海床的相互作用試驗，并結合氫氣泡發生觀測網板的流態等[34]。隨著國內試驗設施條件的改善，對于網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理論，設計網板模型的尺寸與試驗參數，研究網板的升力系數、阻力系數和壓力中心系數等，以衡量與優化網板結構性能[35]。

網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，研究人員開發了網板的風洞試驗方法，通過三分力或六分力測力儀器獲得網板水動力性能數據(圖7b)。國外如Patterson等[36]通過風洞試驗研究網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板的模型試驗，并在網板結構優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 網板CFD數值模擬及可視化研究

網板的水槽和風洞模型試驗雖然可以較為精確地測量網板水動力性能數據，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，對于網板周圍流場流態的研究，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板表面流態的簡略觀測[39]，但卻無法詳細掌握網板周圍的流態分布。網板周圍流態可視化，可用于掌握網板的流態變化規律，分析網板流體力特性變化的原因，為網板的改進提供一種直觀的手段。通過CFD數值模擬技術模擬網板周圍的流場，可快速、精確地計算和模擬網板的水動力數據和流態分布，實現模型試驗和CFD數值模擬技術的相互輔佐和驗證[40-41]。

近幾年對于CFD數值模擬網板性能研究的文獻發表較多，主要是利用數值模擬方法開展各種結構網板的水動力性能模擬。在CFD數值模擬研究算法方面，國外有文獻論述了通過優化算法、減少計算迭代次數，可提高運算的效率和準確性[42-43]。國內學者在網板的數值模擬研究方面主要集中于網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值模擬研究[44]。

4 討論與展望

4.1 網板研究現狀與分析

首先基于國內外的研究文獻，利用文獻地域分布、關鍵詞共現分析等文件計量分析方法，掌握網板研究的國內外現狀，并篩查網板研究領域的熱點內容，然后針對網板性能的影響因素和研究方法展開分析論述。網板性能的影響因素選取了文獻計量分析中4個熱點因素，即網板的主體型式、翼板彎度、翼板角度和翼板縫口參數。分析認為，網板主體型式的設計選擇是網板設計的基礎，拖網作業與性能需求特點決定了網板主體型式，不同主體型式網板對于翼板彎度、翼板角度和縫口參數的設計也不相同，需要通過調整來優化網板的性能；網板性能的研究方法從理論計算、模型試驗和CFD數值模擬進行論述，理論計算是網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板水動力性能的真實參數，而CFD數值模擬則提升了研究效率、節約了研究成本，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，網板性能的研究也將更加深入和系統。

4.2 網板應用研究與發展方向

網板性能研究的目的是基于不同形式的拖網作業需求，設計匹配最佳性能的網板以提高拖網捕撈效率。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板[45]和工程材料組合式網板[46]，降低了網板的質量，并具有較高的升力系數。高強度與功能性材料的研究應用為高性能網板的研制提供了技術基礎，也將成為網板研究的一個重要方向。隨著捕撈裝備與智能化技術的發展，可通過遠程控制系統使網板于作業狀態中進行自身結構的主動性調整，甚或結合大數據分析，根據偵測魚群信息進行結構擴張性能的自動調整，并匹配拖網實現海洋漁業的智能化捕撈。

□