林 可， 倪 益， 雷 靖， 馬家志， 胡夫祥， 宋偉華

(1 浙江海洋大學水產學院，浙江省海洋漁業(yè)裝備技術研究重點試驗室， 浙江 舟山 316022；2 日本東京海洋大學，日本 東京 1080075)

高強度PA單絲拖網水槽試驗研究

林 可1， 倪 益1， 雷 靖1， 馬家志1， 胡夫祥2， 宋偉華1

(1 浙江海洋大學水產學院，浙江省海洋漁業(yè)裝備技術研究重點試驗室， 浙江 舟山 316022；2 日本東京海洋大學，日本 東京 1080075)

強度相同條件下，聚酰胺(PA)單絲網衣的水阻力比聚乙烯(PE)捻線網衣的要小，所以在普通PE網衣拖網中，可以對部分網衣結構設計替換高強度PA單絲網衣，以降低拖網阻力，達到節(jié)能降耗的目的。以蝦拖網為實物拖網，按照田內模型試驗準則，設計改進型PA網衣的模型拖網，通過水槽模型試驗，對比研究改進型PA網衣和傳統(tǒng)PE網衣的拖網漁具性能和節(jié)能效果。試驗結果顯示，在相同拖速條件下，水平擴張比(L/S)為0.40、0.50、0.60時，改進型模型拖網比對照模型拖網所受阻力分別可降低12.14%、8.11%、6.00%，網口高度分別可提高20.00%、22.09%、25.64%，網口擴張系數(shù)分別可提高28.57%、27.27%、30.00%，能耗系數(shù)分別可減少30.61%、29.32%、29.18%。研究表明，高強度PA單絲網衣拖網能起到降低漁具阻力、提高拖網性能的作用，可在漁業(yè)生產中推廣應用。

PA單絲拖網模型；水槽對比試驗；水阻力；垂直擴張

拖網捕撈是海洋漁業(yè)中最為重要的作業(yè)方式之一，其對能源的消耗較大[1-3]。目前，可通過改良船舶性能[4-5]、替換使用新能源或提高燃油效率[6]、優(yōu)化漁具結構和材料[7-9]等科技創(chuàng)新的研發(fā)，改變現(xiàn)有的拖網作業(yè)節(jié)能困境，實現(xiàn)漁業(yè)節(jié)能減排的目標。其中，材料優(yōu)化技術的研發(fā)應用相對更方便，且更易于迅速推廣。高強度纖維材料在拖網漁具中的應用較廣。在國外，從20世紀80年代后期開始，荷蘭DSM公司推出了商品名為Dyneema的超強聚乙烯纖維，其在中層拖網、浮拖網和桁桿拖網上取得了廣泛應用[10]。在國內，石建高、王魯明等[11-12]對漁用高強度聚乙烯材料、自增強聚乙烯單絲等材料的物理性能進行了一定的研究。

聚酰胺單絲(PA單絲)材料具有強度高、彈性好等優(yōu)點[13]，雖然價格稍高于其他拖網漁具材料，但具有很好的應用潛力，是一種較為理想的漁具材料。PA單絲網衣相較于聚乙烯捻線(PE捻線)網衣的水阻力要小，用PA單絲網衣替換拖網中部分PE網衣，可以在不影響成本的前提下降低拖網漁具水阻力，對提高拖網漁具的水動力性能以及漁業(yè)的節(jié)能減排，都具有一定的現(xiàn)實意義[14]。本研究以蝦拖網為實物拖網，設計制作改進型PA網衣的模型拖網，通過水槽模型試驗，對比研究PA網衣拖網和傳統(tǒng)PE網衣拖網漁具的節(jié)能效果，從而達到漁具性能優(yōu)化的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器設備

拖網模型水動力試驗在浙江海洋大學漁具模型試驗靜水槽進行，水槽尺寸130.0 m×6.0 m×4.1m，配備有拖車1部，拖速0.1～6.5 m/s，精度0.1%；網高儀1臺，測量范圍0.3～5 m，測量精度(1±0.005)cm。同時配有測力系統(tǒng)、測速系統(tǒng)、動態(tài)數(shù)據分析系統(tǒng)等測試儀器設備。

1.2 實物網具及水槽模型網

1.2.1 實物拖網

實物拖網是福建省一種常見的蝦拖網，這種網具相對于桁桿蝦拖網以及其他捕撈小型魚蝦的漁具，具有操作簡便、效益高的特點[15]。拖網規(guī)格為60 m×45 m×(25 m)。拖網網衣由網翼、網蓋、網身和網囊組成，網線材料為PE。網身分為7段，從網袖到網囊，根據拖網受力變化，網線直徑不斷增加，網目大小不斷減小，即網線規(guī)格從36 tex×8×3到36 tex×5×3不等，網目從80 mm到35 mm不等[16]。

1.2.2 高強度PA單絲網衣拖網

按照設計要求，PA網衣選用日本日網公司的材料。依據網衣強度性能等測試標準，經試驗測定，PA網衣規(guī)格為：網線直徑0.5 mm，網目30 mm，斷裂強力528 N。在不影響原來拖網漁具強度的前提下，將原PE網衣中部分受應力較小的、與PA網衣規(guī)格相近的網衣改為PA網衣，制作成PA網衣改進型拖網。

1.2.3 模型拖網

模型拖網水槽試驗符合田內模型試驗準則[17]，設計制作PE網衣實物拖網的對照模型和PA網衣改進型拖網模型(表1)。

表1 實物網和模型網主要技術參數(shù)

大尺度比λ1=10，平均小尺度比λ2=2.7。兩頂模型網均按照SC/T4014—1997標準，并依據實物網制作而成，網具規(guī)格、浮沉力的配備、綱索裝配等參數(shù)均保持一致。兩種模型的網具規(guī)格均為6 m×4.5 m×(2.5 m)。PE網衣由手工編制，PA網衣具有很好的強度和柔軟性，能滿足試驗需求。

圖1為對照拖網模型網具簡圖。經測定，網線直徑0.5 mm手工編制的PE網衣網目斷裂強力為263 N。網衣由上到下分為11段。

圖1 對照拖網模型

改進型拖網網衣見圖2。經測定，直徑相近條件下，PA網衣的斷裂強度是PE網衣的2倍，但考慮到在實際使用過程中，拖網的網腹部分常會與海底發(fā)生磨損，PE捻線具有更強的耐磨性，因而選擇在拖網中受到阻力較小的網袖和網蓋部分改為用PA網衣，網腹部分依然使用PE網衣。

圖2 改進拖網模型

圖2中粗線陰影為PA網衣替換部分。部分網衣結構替換設計如下：①網袖結構全部用PA網衣代替；②網蓋結構全部用PA網衣代替；③網身結構中離網口較近的3節(jié)網衣，按照網衣張力逐漸增加規(guī)律，PA網衣替換比例分別為80%、60%、20%，其他部分網衣不替換；④各相鄰節(jié)網衣間PA網衣的替換部分盡可能錯開，拖網中與力綱裝配的網衣承受更多的力，故PA網衣與力綱裝配的網衣也錯開設計。

在設計PA網衣替換PE網衣過程中，為了使對照拖網模型與改進型拖網模型有相同的網具結構，前者與后者的橫向拉直長度與縱向拉直長度相同，使得兩頂拖網模型有相同的形狀和大小。

1.3 試驗數(shù)據處理方法

1.3.1 垂直擴張系數(shù)CH

在拖網作業(yè)過程中，網口垂直方向擴張越大，代表拖網漁具具有更好的捕撈性能。網口的垂直擴張系數(shù)CH[9]一般指網口高度與網口周長的比，該系數(shù)越大代表拖網網口周長利用率越大，是比較拖網漁具性能的重要參數(shù)。CH計算公式：

CH=H/C

(1)

式中：H—網口高度，m；C—網口周長，m。

1.3.2 能耗系數(shù)Ce

能耗系數(shù)Ce[9]表示拖網濾過單位水體所消耗的能量。在拖網漁具作業(yè)過程中，Ce越小，表明拖網過濾相同體積的水體所消耗的能量更少。因此，Ce也是衡量網具優(yōu)劣的指標之一。Ce計算公式：

Ce=3.472F/(HL)

(2)

式中：F—阻力，N；H—網口高度，m；L—網衣袖端的間距，m。

2 拖網模型水槽試驗

2.1 試驗內容

為比較兩種模型網的性能，在不同拖速、不同水平擴張比(袖端間距與下綱長度的比，L/S)下進行模型水槽試驗。分別測定對照拖網模型和改進型拖網模型的阻力與網口高度，研究在L/S下，速度與阻力、速度與網口高度變化規(guī)律，計算對比兩張模型網衣的CH和Ce，分析改進型模型網的性能。

2.2 試驗參數(shù)設計

蝦拖網的拖速一般為1.28 m/s左右，根據田內模型試驗準則，拖網模型的拖速為0.78 m/s。所以，試驗選取實物網的拖速為0.33、0.58、0.82、1.02、1.28和1.49 m/s，其對應模型的拖速為0.20、0.35、0.50、0.62、0.78和0.90 m/s。同時，根據蝦拖網的實際使用情況，將模型網具L/S設計為0.40、0.50、0.60三檔。兩頂模型網均按照田內模型試驗標準進行數(shù)據處理。

2.3 試驗布局

拖網模型試驗過程中，模型網翼端間距通過水槽內可固定的拖劍間距調整獲得。拖劍與模型網連接方法如圖3所示。

圖3 拖劍連接模型網示意圖

曳綱、空綱和上綱可以看成一條載荷延索長均勻分布的懸鏈線，利用懸鏈線因素表[18]，在翼端間距L=1.87 m、2.38 m和2.74 m時，拖劍間距近似為3.5 m、4 m和4.5 m。由懸鏈線因素表可知，拖劍處拖力與拖行方向的夾角α分別為3.2°、4.4°和5.2°。

在試驗過程中，先調整拖劍間距，再每隔5 min測量模型網不同拖速下的拖力和網口高度。一組數(shù)據測完后，再調整、測量下一組數(shù)據。每次測試前，必須使用與拖網網囊連接的一條拉線來調整網囊位置并達到平衡狀態(tài)，以保證拖網左右兩側曳綱對稱。

2.4 數(shù)據采集和處理

2.4.1 阻力數(shù)據的采集

通過使用設置在拖劍上兩個型號為STC-25 kg的拉力傳感器采集電信號，經過數(shù)據采集儀將數(shù)據保存在計算機DHDAS5920動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)中，再進行觀察截取其中較穩(wěn)定的一段數(shù)據作為本文的分析對象，以保證測試數(shù)據的準確。傳感器連接的曳綱所受力與拖行方向如圖4所示，拖網模型左右對稱，故左右曳綱與拖行方向的夾角都為α。因為模型在水槽中勻速運動，所以模型的拖力與阻力相等，故模型拖網阻力應為：

F=(F1+F2)cosα

(3)

式中：F—模型拖網阻力，N；F1、F2—左右傳感器所測定的拖力，N；α—拖劍處拖力方向與拖行方向夾角。

圖4 拖網模型受力示意圖

2.4.2 網高數(shù)據的采集

使用水下測深儀進行網口高度數(shù)據的采集。通過測量發(fā)射器到水槽底端的垂直高度(拖網模型均為底拖網，下綱與水槽底端貼緊重合)以及發(fā)射器到上綱最高點的垂直高度，就可推算出網口高度。為了使測深儀更容易地測得數(shù)據，在對照網和模型改進型網的網口上綱中點都系結4個球型浮子，以增加接收的輻射面積。

3 結果與分析

3.1 阻力與速度的變化規(guī)律

隨著L/S為0.40、0.50、0.60的變化，兩頂模型網水阻力與拖速的關系對比情況如圖5a、5b、5c所示。在不同L/S條件下，改進型網的水阻力與拖速的關系對比情況如圖5d所示。

圖5 對照網和改進型網在不同L/S下阻力與拖速的關系

圖5分析。圖5a：在水平擴張比L/S=0.40時，當拖速大于0.35 m/s時，對照網所受阻力顯然要大于改進型網，且相差值越來越大，當拖速達到0.90 m/s時，兩張網片所受阻力相差達到最大值，此時后者比前者少承受12.14%的阻力。圖5b：在水平擴張比L/S=0.50時，當拖速大于0.50 m/s時，改進型網承受的阻力稍稍低于對照網，且相差值隨著拖速的增加越來越大并在拖速0.78 m/s時，兩張網片所受阻力相差達到最大值8.11%。當拖速大于0.78 m/s時，阻力相差逐漸縮小。在拖速為0.20 m/s時，對照網的網衣無法完全打開，故無法測得數(shù)據，究其原因，在低拖速、高L/S值情況下，拖網所受阻力過小，無法完全撐開網衣，所以當L/S=0.60時，只將拖速大于0.20 m/s時的數(shù)據作為研究對象。圖5c：改進型網所受阻力稍大于對照網，并在拖速為0.90 m/s時相差值達到最大，此時改進型網所受阻力比對照網低6.00%。圖5d：在不同L/S、相同拖速情況下，改進型網阻力相差不大，其中，L/S為0.50、0.60時，網衣所受阻力基本相等，但要稍大于0.40時的阻力。

3.2 網口高度H的變化規(guī)律

兩頂模型網在相同的試驗條件下，在L/S分別為0.40、0.50、0.60的條件下，網口高度與拖速關系如圖6a、圖6b、圖6c所示。在不同L/S下改進型網網口高度與拖速關系如圖6d所示。

與網片阻力研究相同，L/S為0.60，拖速為0.20 m/s時，對照網網衣沒有完全打開，故不對其數(shù)據進行分析研究。另外，在高拖速0.90 m/s的情況下，水下探測儀的發(fā)射器桿受水流影響晃動劇烈，多次嘗試仍然無法測量L/S為0.40和0.50的對照網網口高度，故未將該拖速下的數(shù)據作為研究網口高度、CH和Ce的依據。

圖6 對照網和改進型網在不同L/S下網口高度與拖速的關系

圖6分析。圖6a：改進型網網口高度明顯大于對照網網口高度，但相差逐漸減小，當拖速為0.20 m/s時，前者比后者提高20.00%，而拖速為0.78 m/s時，前者僅比后者提高9.24%。圖6b：改進型網網口高度大于對照網網口高度，當拖速為0.62時相差達到最大，前者比后者高22.09%；在其他拖速下，前者比后者高17%左右。圖6c：在拖速小于0.50 m/s時，改進型網網口高度稍大于對照網網口高度，當拖速大于0.50 m/s、小于0.78 m/s時，前者明顯大于后者，并在0.62 m/s時相差達到最大，前者比后者高25.64%；當拖速為0.90 m/s時，兩張網片的網口高度幾乎一致。圖6d：改進型網網口高度均隨拖速增加而下降，L/S為0.50和0.40時，在試驗拖速下網口高度幾乎相同，但稍高于L/S為0.60時的網口高度。

3.3 垂直擴張系數(shù)的推算

改進型網和對照網在不同拖速的垂直擴張系數(shù)(CH)如圖7所示。由圖可知，在相同試驗條件下，改進型網的CH均高于對照網。其中，在各種拖速條件下，當L/S為0.40時，前者的CH比后者的大16.67%～28.57%；當L/S為0.50時，前者的CH比后者的大11.76%～27.27%；當L/S為0.60時，前者的CH比后者的大10%～30%。

圖7 對照網和改進型網在不同L/S下垂直擴張系數(shù)與拖速的關系

3.4 能耗系數(shù)的推算

改進型網和對照網的能耗系數(shù)(Ce)如圖8所示。在相同試驗條件下，前者明顯低于后者。其中，在各種拖速條件下，當L/S為0.40時，前者比后者低18.31%～30.61%；當L/S為0.50時，前者比后者低18.86%～29.32%；當L/S為0.60時，前者比后者低19.49%～29.18%。

圖8 對照網和改進型網在各L/S下能耗系數(shù)與拖速的關系

4 討論

4.1 實物網性能換算

本研究中，在水平擴張比分別為0.40、0.50、0.60時，按照相似準則換算，對應極限拖速下實物改進型網水阻力的值分別為41 192 N、43 132 N、44 094 N，分別比實物對照網少承受5 651 N、1 934 N、2 636 N；對應的網口高度為8.3 m、8.2 m、7.7 m，分別比實物對照網提高了0.7 m、1.5 m、1.7 m；對應能耗系數(shù)的值分別為717、594、568，分別比實物對照網減少了161、196、203。從中發(fā)現(xiàn)，在拖網中應用PA網衣替換部分PE網衣，確實可以降低拖網在水中的阻力，提高網口高度和垂直擴張系數(shù)，降低能耗系數(shù)。但是，由于PA網衣替換較少，對照網和改進型網的上述4個參數(shù)的變化值不是很大。

4.2 改進型拖網推廣的可行性

PA網衣替換部分拖網中受阻力較小的PE網衣，對拖網的成本影響較小，在不影響網片耐磨性的基礎上，能夠對拖網網具的性能有所提高。研究方向，拖網應用PA網衣替換時，所承受的阻力更小，網口擴張更大，在提高生產效率的同時也減少了生產能耗，符合當今漁業(yè)生產節(jié)能減排的改革方向，是一種值得推廣的技術。

4.3 水槽試驗有待于改進

本試驗中仍有許多不足以及可以擴展的地方。試驗選擇的實物網是蝦拖網，這種改進方法在其他拖網上的表現(xiàn)還不能判斷，其試驗結果有一定的局限性。需進行不同材料的試驗，對這種改進方式進行更加全面的探討。模型網設計過程中，PA網衣替換PE網衣面積較少，使得改進型網模型阻力減少不是很明顯，在條件允許下可以在網身部分替換更多網衣。另外，本次試驗研究主要是在水槽內完成，尚有待于在海上生產試驗和推廣應用。

5 結論

針對漁具節(jié)能減耗的發(fā)展要求，根據拖網漁具的結構特點，結合新型漁具材料的應用，設計并制作了改進型PA單絲拖網模型和原拖網對照模型。水槽對比試驗結果顯示，在相同拖速下，水平擴張比(L/S)為0.40、0.50、0.60時，改進型模型拖網比對照模型拖網所受阻力分別降低了12.14%、8.11%、6.00%，網口高度分別提高了20.00%、22.09%、25.64%，網口擴張系數(shù)分別提高了28.57%、27.27%、30.00%，能耗系數(shù)分別減少了30.61%、29.32%、29.18%。結果表明，改進型模型拖網與PE捻線拖網相比，能耗系數(shù)更小，且具有更高的網口系數(shù)，在生產作業(yè)時可以起到節(jié)能減排的作用，同時漁具性能也有明顯提高，具有一定的推廣價值。

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Flume experimental research on high-strength PA monofilament trawl

LIN Ke1,Ni Yi1,LEI Jing1,MA Jiazhi1,HU Fuxiang2,SONG Weihua1

(1FisheryCollegeofZhejiangOceanUniversity,KeyLaboratoryofMarineFisheryEquipmentandTechnologyofZhejiang,ZhejiangZhoushan316022,China;2TokyoMarineScienceUniversity,Tokyo1080075,Japan)

With the same strength grades,polyamide (PA) monofilament netting suffers less resistance than polyethylene (PE) twist wire netting in water,so some parts of PE twist wire trawl can be replaced by PA monofilament material in order to reduce resistance and save energy.In this paper,a shrimp trawl was selected,based on which a PE twist wire model trawl and a structure-modified PA monofilament model trawl were designed following Tauti model experiment standard and their performance and energy saving property were researched and compared by flume experiment.The experiment results showed that under same testing conditions,the properties of modified PA monofilament model trawl were better than PE twist wire model trawl.At the same speed,when theL/Sratios of the two model trawls were 0.40,0.50 and 0.60,compared with the PE twist wire model trawl,the resistance of modified PA monofilament model trawl decreased by 12.14%,8.11%,and 6.00%,net opening height raised by 20.00%,22.09% and 25.64%,vertical expand coefficient increased by 28.57%,27.27% and 30%,and the energy consumption coefficient decreased by 18.34%,24.81% and 26.23%,respectively.The research shows that high-strength PA monofilament trawl could reduce resistance suffered by fishing gears and improve their performances,and can be extended and applied in fishery practices.

polyamide monofilament model trawl;flume experiment;resistance;vertical expand coefficient

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.01.010

2016-10-28

2017-01-19

浙江省自然科學基金項目(LY14C190005，Q14C190005)；浙江省海洋漁業(yè)裝備技術研究重點試驗室資助項目 (MFET201406)；浙江省水產一流學科開放課題資助項目(20160021)；浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃(2016R411012)

林可(1993—)，男，碩士研究生，研究方向：漁具漁法。 E-mail：975526287@qq.com

宋偉華(1968—)，男，教授，研究方向：海洋漁業(yè)。 E-mail：whsong6806@163.com

S971.9

A

1007-9580(2017)01-051-07