基于数值模拟的单锚张纲张网水动力性能研究

倪震宇，张新峰、2、3，金宇锋，张健、2、3

(1.上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306； 2.大洋渔业资源可持续开发教育部重点实验室，上海 201306； 3.国家远洋渔业工程技术研究中心，上海 201306)

单锚张纲张网(俗称帆张网)以其网具规模大、单船可载数量多、能耗较低、适应多种水深作业、选择渔场机动灵活、生产效益好等优点[1-4]，自20世纪80年代被引入东海近海渔业生产后[5]在中国近海捕捞作业中得到了迅猛发展[6-7]。张网渔业捕捞努力量大、渔获幼鱼比例高、渔具缺乏选择性等作业特点，给近海渔业资源养护造成了巨大的压力。1995年，东海区渔政局制定《帆式张网作业管理实施办法》，旨在控制捕捞努力量，并实施专项捕捞许可证，实行专项管理；2000年，中国渔政渔港监督管理局发布《帆式张网作业管理暂行办法》，制订了“专项许可、逐年削减、最终淘汰”的帆张网渔业管理原则。地方上，浙江省在2006年发布《浙江省渔业管理条理》，将帆张网列为禁用渔具。然而，近海渔民对张网使用的习惯在短期内难以完全禁止，2014年，农业部发布实施《关于实施海洋捕捞准用渔具和过渡渔具最小网目尺寸制度的通告》，将所有单锚张纲张网渔具列为过渡渔具予以限制[8]。针对当前近海渔业实际情况，优化单锚张纲张网渔具结构，改善渔具渔获性能，特别是渔具选择性能，对于保护渔业资源、保障渔业持续和健康发展具有重要的现实意义。

目前，对于单锚张纲张网渔具结构优化的研究主要集中在扩张帆布结构与网口结构[1,9-11]、网目尺寸选择性[2,12-13]、幼鱼和非目标种类释放装置[14-15]等方面，研究方法除海上实测观察以外，主要依靠模型试验[1,10-11]的方式。随着计算机技术的进步，使用数值方式模拟网渔具的水动力性能已成为渔具设计和优化研究的常用方法，也是当前海洋渔业工程研究中的热门话题，在拖网、围网、刺网、定置陷阱和延绳钓等渔具，以及网箱等渔业工程设施的设计优化中均被广泛使用[16-26]。本研究中，通过数值模拟方式分析单锚张纲张网的水动力性能，定量分析张网在作业过程中的工况，以期为进一步深入开展渔具结构优化、渔获性能评价提供参考依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实物网 以吕四渔场、大沙渔场中最为常用的单锚张纲张网为研究对象，网具主尺度为230 m×180 m，扩张帆布规格为1.8 m×45.0 m，装配冲角约为60°，浮力配备为14 700 N，约8%分布于张纲中部，两侧各集中分布46%，沉力配备9800 N，40%分布两侧，剩余均布于下纲。

1.1.2 模拟张网 实物网规格大，为减少网具数值模拟计算量，一般会根据渔具模型试验准则进行缩小，并采用网目群化方法对网具结构进行简化[18]。根据田内准则，按大尺度比为25、小尺度比为3.95将实物网缩小成模拟用张网(图1)。网具结构的离散化以集中质量法为基础，将张网渔具网片、绳索、上下纲等进行离散化，网片的离散是将目脚简化为其目脚中心的质量点，各个质量点通过轻弹簧连接，离散化示意图如图2-A所示；然后以网具的空间形状、质量、水动力不发生改变为原则对张网进行群化，网目群化如图2-B所示；并对网具各个质量点建立质量点间的拓扑学关系。

图1 模拟用张网网衣展开图Fig.1 Net drawing of the stow net scaled down for simulation

图2 集中质量法的质点弹簧系统(A)和网目群化(B)示意图Fig.2 Diagrams of mass-spring systems in lumped mass method(A) and mesh grouping method(B)

离散简化并建立拓扑学关系后模型网网衣由原有的16段简化为2段(图3)，目脚长度均取627 mm，为保证简化前后网衣线面积系数不变，网线直径由原来的0.96 mm增至3.17 mm，网线材料密度均为960 kg/m3，叉纲Ⅰ长度取3.29 m，叉纲Ⅱ长度取3.39 m。

1.2 方法

采用有限元方法为基础，对单锚张纲张网建立数学模型，并作以下基本假设：

图3 简化后的网具拓扑结构Fig.3 Topological structure of the simplfied stow net

(1)某段时间内海流的大小和方向保持恒定。

(2)网线绝对柔软，只能承受拉力(张力)，不能承受压力、剪力和弯矩，即杆单元属二维轴向拉杆，内力只有轴向拉力。

(3)网线目脚是圆柱形，其水阻力系数随着运动方向的变化而变化，目脚两端的节点为圆球，其水阻力系数在运动方向上是恒定的。

(4)网具整体始终保持在水面以下。

(5) 升力帆布仅在高度方向发生形变，在宽度方向不发生形变。

网具(包括纲索)杆单元在水下受到的水动力及杆单元所受到的水中重力被平均分配到与其相邻的两个节点上(图4)。该节点除了受到杆单元水动力作用外，还受到相邻杆单元的拉力作用，根据牛顿第二定律，节点满足动力学方程：

(1)

投影到x、y和z三个方向上，分别为

(2)

其中：mi,j为杆单元ij的质量；li,j为杆单元ij的长度；xi、yi、zi分别为节点i的x、y和z坐标；xj、yj、zj分别为节点j的x、y和z坐标；ai为节点i的加速度；k为与节点i相邻的节点总数；Ti,j为杆单元ij所受到的张力，采用弹性胡克定律计算；FDi,j、FLi,j分别为杆单元ij的水阻力和升力，将杆单元视为圆柱体计算；Gi,j为杆单元ij在水中的重力；ex、ey、ey分别为x、y和z坐标轴的单位向量；d2xi/dt2、d2yi/dt2、d2zi/dt2分别为节点i在x、y和z方向上的加速度分量。

单锚张纲张网的扩张帆布与侧网网衣相连，因此，将分布式水动力集中于侧网若干个杆单元质量点上，根据前述假设条件，以平板水动力系数代替帆布的升阻力系数。

模型在在求解中使用了龙格库塔法[27-28]的六阶算法。在数值模拟过程中，选择了0.26、0.32、0.39、0.46和0.52 m/s作为水流流速。

图4 杆单元的受力分析Fig.4 Forces analysis of weighted bar element

2 结果与分析

2.1 张网的稳定过程

数值模拟结果显示：网具从初始状态(图3)开始，受恒定水流冲击后网口宽度迅速增大，然后随着时间的延长逐渐收拢达到稳定状态(图5-A)；网具所受的总阻力随时间的延长逐渐趋于稳定(图5-B)。

2.2 网具稳定时间

以网具在恒定流速下间隔0.5 s，总阻力首次相差小于0.05%作为网具进入稳定状态，模拟结果显示，网具从初始状态到稳定状态所需的时间随流速的增加而减小，如图6所示。

2.3 网具的形态

2.3.1 网具的总体形状 不同流速下，稳定后的网具形状如图7所示。从图7可知，当流速较小时，网口水平和垂直扩张较好，随着流速的增加，网口两侧网衣垂直扩张逐渐减小，上、下纲中部高度未见明显减小，但后坠程度逐渐增大，网具纵向拉伸逐渐增大。

图5 网口宽度和阻力的稳定过程Fig.5 Stabilization process of net mouth width and resistance

图6 不同流速下网具的稳定时间和阻力Fig.6 Duration of process to stable state and resistances under different flow velocities

2.3.2 网具的网口扩张 从图5-A可知，在恒定水流中，随着流速的增加，网口的宽度明显减小，而网口高度略有下降。不同流速下网口的宽度、高度和过流面积如图8所示。

将网口投影至竖直平面以获得网口形状，根据过滤性渔具作业特点视为椭圆形，将网口的最大扩张宽度和高度分别视为椭圆的长轴和短轴，则不同流速下网口面积如图8所示。

2.3.3 网具不同部位的缩结系数 网具总体稳定以后，对不同部位网衣的水平缩结系数沿周向取平均值，发现网具从网身到网囊水平缩结系数逐渐减小，以0.39 m/s的流速为例，从网身后部0.21减小至网囊部约为0.07；且网具各部分网衣的缩结系数随着流速的增加而减小，不同流速下网具各部的水平缩结系数如图9所示。

图7 不同流速下张网的形状和张力分布Fig.7 Overall shape and tension distribution of stow net under different flow velocities

图8 网口尺寸及其面积Fig.8 Opening size and area of a net mouth

图9 网具各部分网衣的水平缩结系数Fig.9 Hanging ratios of different part panels of a net

2.4 网具的水动力

2.4.1 网具总阻力 网具在不同流速下稳定后的总阻力随着流速的增加而增加，如图6所示，使用幂指数关系拟合总阻力F(N)和流速v(m/s)的关系，即F=480.1×v1.722。

2.4.2 网线张力载荷 网具在不同流速下不同部位的网线和纲索上的张力载荷如图7所示。网线张力载荷较为集中的部位主要是上纲、下纲两端及叉纲与网衣的连接处，且随着流速的增加，集中载荷分布趋势愈加明显。

3 讨论

通过力学模型，借助计算机方式实现渔具水动力和形态数值模拟以研究相关渔具工程物理问题，能克服传统研究方法成本高、条件不可控、试验结果呈现慢、图像无法直接观察等技术难点。此外，渔具数值模拟作为一种微观处理方法，从渔具基本构件入手，构建整个渔具系统的模型，通过数值计算获得的定量结果不仅可以对渔具整体性能进行评价，还可对渔具最小构件(网目目脚、节点或纲索微段)进行分析，有助于开展网具局部性能的分析和评价[18,29]。在本研究中，通过数值模拟分析网具的总体扩张和阻力，掌握了张网网具各部分网衣和纲索的张力载荷分布及其随流速的变化情况；通过分析网具的受力均匀性和结构合理性，了解各部分网衣的横向扩张情况，这对于分析网具整体选择性、滤水性及渔具的导鱼性等至关重要。

拖网、围网等渔具在实际作业中，通常网具运动方向和水流方向不一致，因此，数值模拟的方法需要考虑流向的变化，且模型试验中因难以模拟出相近流态，使得数值模拟和模型试验结果的对比存在一定的局限性；而张纲张网渔具大多以单锚或单桩固定，网具总体随着流变动而旋转，这一作业特点决定了网具的网口始终垂直于水流，因此，使用数值模拟的方法分析网具水动力性能相比其他渔具可能更具合理性和可靠性。

网具的数值模拟不仅要考虑力学模型的完整性等问题，同样要考虑模拟的初始和边界条件。此项研究中，初始状态网具总体静止于水中并总体处于扩张状态，这与张纲张网的实际作业情况并不相同，因此，网具从初始到稳定状态的数值模拟过程不能反映张网放网的实际动态过程。但数值模拟的初始状态(图3)与拖曳水槽模型试验的初始状态相似，以模拟结果分析，随着流速的增大，模型稳定的时间逐渐减小，对应的拖曳试验中，稳定所需的拖曳距离(等于稳定所需的最小时间乘以流速)基本保持在16～20 m，表明拖曳水槽模型试验时前20 m的观察结果并不稳定。对于边界条件，数值模拟中将网具整体视为处于恒定均匀流，而实际作业中张纲张网下纲和网具网腹前部通常接触海底，近海底流速相对较低，因此，网具下部受力小于上部，常见的工程安全问题(例如破网)也多出现于背网部，这与数值模拟结果存在差异。

网口扩张的数值模拟结果显示，网口高度随着流速增加略有降低，这与彭永章等[5]、黄洪亮等[10]和张健等[11]的模型试验结果相同；但数值模拟获得的网口宽度随流速增加而明显减小的趋势在上述模型试验中并不明显。笔者认为，造成这一差异的原因可能是，数值模拟中将帆布假设为不能在宽度方向发生形变，并使用平板的升力系数计算扩张力，而实际升力帆布在水流下会在宽度方向产生拱度，形成类似机翼截面形状，进而升力系数提高，且会随着流速的增加而增加，维持了网口的水平扩张。在进一步的研究中，需要对扩张帆布的水动力建立更为完善的动力模型或进行模型试验，掌握其水动力性能。网具的阻力与流速的关系数值模拟结果与其他模型试验基本一致(阻力与流速的幂指数在笔者、黄洪亮等[10]和张健等[11]的研究中分别为1.722、1.629和1.645)。

数值模拟中，网囊、囊头网等部分的网衣扩张与实际作业情况存在较大的差异，一方面因实际渔获的存在，菱形网目网囊通常呈“灯泡型”，囊头网部分缩结最小，在渔获聚集区前网目扩张；另一方面，数值模拟中网目群化后网囊目脚和节点数量有限，降低了不同网目在微观上的差异。尽管如此，使用数值模拟的方法依然可以大致了解网具后部网衣的总体扩张情况。不同流速下网具后部网衣水平缩结系数的模拟结果(图9)显示，张纲张网囊头网和网囊的网目基本闭合，网囊水平缩结系数仅为0.06～0.09，因此，张网渔具除了利用放大网目尺寸改善张网尺寸选择性的方法[12,30-32]外，还需考虑使用特定技术手段来维持网目的水平扩张，以利于幼鱼的逃逸，例如使用方形网目、转向网目或刚性释放装置等。