陳昌平，李艷芳，鄭艷娜*，史憲瑩，危學(xué)良

（大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

漁用網(wǎng)衣作為一項重要的生產(chǎn)作業(yè)設(shè)施，在捕撈業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)中發(fā)揮了重要的作用，尤其在目前網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)中，網(wǎng)衣的使用更加普遍。在漁業(yè)生產(chǎn)過程中由于受波浪、水流等惡劣海洋環(huán)境因素作用，網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)經(jīng)常會發(fā)生破壞，嚴(yán)重影響了漁業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行，并會造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。研究網(wǎng)衣在波流作用下的水動力響應(yīng)特性，合理設(shè)計網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)，是解決制約網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要手段。傳統(tǒng)纖維類網(wǎng)衣為多孔小直徑柔性構(gòu)件，在波流作用下的受力變形是一個復(fù)雜的動力響應(yīng)過程，采用一般的理論分析計算，很難得出合乎實際的結(jié)果，因此采用模型試驗來研究網(wǎng)衣的水動力響應(yīng)特性是通常采用的方法，而遵循科學(xué)合理的模型相似準(zhǔn)則是進(jìn)行模型試驗的首要前提?？紤]到網(wǎng)衣特殊的結(jié)構(gòu)，針對試驗?zāi)Ｐ椭谱骺尚行约霸囼灄l件，各國學(xué)者在模型相似準(zhǔn)則設(shè)計方面進(jìn)行了相關(guān)研究，得到了各類網(wǎng)衣相關(guān)水動力特性。本文主要對漁用網(wǎng)衣相似準(zhǔn)則的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 研究進(jìn)展

20世紀(jì)30年代以來，國內(nèi)外學(xué)者采用理論分析與模型試驗方法，對漁具的水動力特性進(jìn)行了相關(guān)研究。針對漁網(wǎng)特殊的結(jié)構(gòu)，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(zhǔn)則與改進(jìn)方法，如Tauti準(zhǔn)則、W.Dickson準(zhǔn)則和B.A.Christensen準(zhǔn)則[1-2]等。

1.1 Tauti準(zhǔn)則

20世紀(jì) 30年代，Tauti[3-5]在對棉麻等植物纖維漁具(主要是拖網(wǎng))進(jìn)行模型試驗發(fā)現(xiàn)，如果按同一幾何相似比尺制作模型，則難以找到所需的網(wǎng)線。Tauti認(rèn)為判別流態(tài)特征的雷諾數(shù)Re(2×103～1.25×104)正好處在圓柱體阻力曲線的“自動模擬區(qū)”，在Re=103～1.8×105的區(qū)間內(nèi)，阻力系數(shù)不變，網(wǎng)片阻力不受雷諾數(shù)的影響，并假設(shè)：(1)受力時網(wǎng)線的伸長度忽略不計；(2)網(wǎng)片是充分柔軟的；(3)網(wǎng)片受力變形慢且作用在網(wǎng)各部分的力是處于平衡狀態(tài)。Tauti根據(jù)網(wǎng)片阻力與網(wǎng)線直徑d和網(wǎng)目目腳長a的比值相關(guān)這一特性，認(rèn)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(wǎng)衣阻力，因此在制作模型時，對于網(wǎng)衣總尺度選用大尺度比λ，對于網(wǎng)線直徑和網(wǎng)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(wǎng)片的縮結(jié)系數(shù)必須相同。

Tauti準(zhǔn)則存在的不足：(1)網(wǎng)具阻力系數(shù)是否處于“自動模擬區(qū)”？陳明義[6]認(rèn)為各段網(wǎng)線與流向的夾角α不同，它們的阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化是不同的，而且由于網(wǎng)線間的相互影響和結(jié)節(jié)的影響，整個網(wǎng)具的阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律與一根垂直于流向的網(wǎng)線的阻力系數(shù)規(guī)律也不一樣，所以假定的依據(jù)不充分；顧惠庭[7]認(rèn)為阻力系數(shù)保持一定，可能是由于格子型組合的網(wǎng)線相互干擾的結(jié)果,也可能是因為網(wǎng)線的表面結(jié)構(gòu)與圓柱體不同而造成阻力系數(shù)特性不同，而實際上模型網(wǎng)和原型網(wǎng)的雷諾數(shù)相差很大，對阻力系數(shù)的影響不可忽略不計；(2)Tauti準(zhǔn)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(shè)計，因為在網(wǎng)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(nèi)準(zhǔn)則設(shè)計試驗，則要采用相應(yīng)的小尺度比對波浪進(jìn)行縮放，但由此得到的波浪要素在實驗室內(nèi)往往無法實現(xiàn)。

1.2 W.Dickson準(zhǔn)則

20世紀(jì)50年代末，W.Dickson基于弗洛德定律提出了W.Dickson準(zhǔn)則，主要應(yīng)用于大尺度的棉麻植物纖維拖網(wǎng)試驗中[8]。W.Dickson準(zhǔn)則前提條件為：(1)模型網(wǎng)上的浮子和沉子的密度與實物網(wǎng)相同；(2)網(wǎng)線材料須與實物網(wǎng)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(jù)雷諾數(shù)Re應(yīng)給予一定的限制。W.Dickson考慮到網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的特殊性，對網(wǎng)目尺寸和網(wǎng)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(wǎng)衣和原型網(wǎng)衣之間，雖然相應(yīng)的雷諾數(shù)不一樣，但對應(yīng)的阻力系數(shù)力求相同。按W.Dickson準(zhǔn)則，一般要求網(wǎng)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(zhǔn)則在深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱模型試驗中難以運(yùn)用。

1.3 B.A.Christensen準(zhǔn)則

20世紀(jì) 70年代，B.A.Christensen[3]提出合成纖維制作的網(wǎng)具模型試驗換算準(zhǔn)則，類似W.Dickson準(zhǔn)則，對拖網(wǎng)選定大尺度比λ和網(wǎng)目尺寸與網(wǎng)線直徑的小尺度比λm和λd。該準(zhǔn)則以弗洛德重力相似定律為基礎(chǔ)，要求網(wǎng)線高度柔軟，為保證雷諾數(shù)相似，λ控制在10～15以內(nèi)。此準(zhǔn)則對雷諾數(shù)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(shù)的變化，采用網(wǎng)線投影面積修正的方法對網(wǎng)衣模型進(jìn)行了設(shè)計。此方法考慮了由于原型、模型雷諾數(shù)差異導(dǎo)致的水阻力變化，不足在于網(wǎng)衣水阻力系數(shù)的變化規(guī)律需通過模型試驗確定，而水阻力系數(shù)又受到雷諾數(shù)、網(wǎng)線的投影面積系數(shù)及沖角等因素的影響，試驗工作量大且相關(guān)關(guān)系不易確定，此外，對網(wǎng)衣投影面積修正后，也未考慮網(wǎng)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(yǎng)殖網(wǎng)箱研究工作初期，考慮模型比尺、網(wǎng)衣制作及網(wǎng)衣受力特點等因素，提出了面積幾何相似方法。網(wǎng)衣受力為流阻力，阻力取決于網(wǎng)衣面積，所以在保持網(wǎng)衣總尺度的幾何相似前提下，只需在網(wǎng)衣總尺度范圍內(nèi)使網(wǎng)線及節(jié)點的受力總面積取得幾何相似而不必強(qiáng)求網(wǎng)衣上網(wǎng)目尺寸和網(wǎng)線直徑的幾何相似。這種方法實現(xiàn)的一個最簡單途徑就是在模型中仍采用原型網(wǎng)衣，這樣模型中網(wǎng)線直徑增加了λ倍，對應(yīng)網(wǎng)目數(shù)減少了λ2倍，網(wǎng)衣單個節(jié)點面積增加了λ2倍，但相應(yīng)節(jié)點數(shù)減少了λ2倍，因此模型中網(wǎng)線及節(jié)點的總受力面積恰好保持幾何相似。試驗對比結(jié)果表明直接采用原型網(wǎng)衣作為模擬網(wǎng)衣是合理和可靠的。

這種方法存在兩點不足：（1）模型網(wǎng)衣的重量加大了λ倍，對實驗結(jié)果有較小影響；（2）由于網(wǎng)衣厚度增加，網(wǎng)線跨距加大，網(wǎng)衣的剛度有所改變，對網(wǎng)衣的變形和受力結(jié)果有些影響。從試驗結(jié)果看網(wǎng)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(nèi)相似準(zhǔn)則在網(wǎng)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(zhǔn)則結(jié)合網(wǎng)衣變尺度的模型設(shè)計方法，并從受力和變形特性上論證此方法與田內(nèi)相似準(zhǔn)則在網(wǎng)衣試驗中的一致性，從而到達(dá)解決網(wǎng)衣模型相似以及試驗條件設(shè)計的問題。所謂變尺度模型是指對于網(wǎng)衣的整體尺寸采用與網(wǎng)箱其它部件相同的主模型比尺λ，而對于網(wǎng)目大小和網(wǎng)線直徑則采用另一較小的模型尺度λ'，從而減小模型網(wǎng)衣對水流流態(tài)的改變以及雷諾數(shù)的大幅變化，使試驗條件盡量處于自動模擬區(qū)，以保證水動力相似并使網(wǎng)衣模型的制作可行。這樣，可以模型比尺可達(dá)到λ=20或更大，且波浪作用條件下的深水網(wǎng)箱模型試驗可以實現(xiàn)。由于網(wǎng)衣網(wǎng)目和網(wǎng)線直徑按照小尺度λ'縮放，該方法給出了具體的質(zhì)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(yīng)用到波浪試驗中，不僅解決了田內(nèi)相似準(zhǔn)則對實驗條件的限制，也克服了狄克遜等準(zhǔn)則對模型比尺的約束，具有較好的適用性。

2 結(jié)論與展望

關(guān)于漁用網(wǎng)衣模型相似準(zhǔn)則，國內(nèi)外學(xué)者從不同條件、不同角度進(jìn)行了諸多研究，取得了較多相關(guān)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(yīng)用，均為漁用網(wǎng)衣模型試驗的科學(xué)實現(xiàn)提供了積極的基礎(chǔ)依據(jù)，同時亦為進(jìn)一步推動網(wǎng)衣構(gòu)件與其他構(gòu)件在工程上的聯(lián)合使用研究奠定了可靠的理論基礎(chǔ)保障。進(jìn)入21世紀(jì)，網(wǎng)箱養(yǎng)殖設(shè)施工程裝備日趨向深水、大型化發(fā)展，漁用網(wǎng)衣的使用將愈加廣泛。目前我國正進(jìn)行金屬網(wǎng)箱改良測試及試點應(yīng)用推廣研究階段，金屬網(wǎng)箱的水動力特性研究是網(wǎng)箱實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵基礎(chǔ)工作，而開展金屬網(wǎng)衣的研究是一項主要內(nèi)容?？紤]到金屬網(wǎng)衣的特殊性，因此在今后一段時間內(nèi)，金屬網(wǎng)衣的模型相似準(zhǔn)則設(shè)計問題需學(xué)者們認(rèn)真研究。

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