渔用网衣模型相似准则研究进展

陈昌平，李艳芳，郑艳娜*，史宪莹，危学良

（大连海洋大学 海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023）

渔用网衣作为一项重要的生产作业设施，在捕捞业及养殖业中发挥了重要的作用，尤其在目前网箱养殖业中，网衣的使用更加普遍。在渔业生产过程中由于受波浪、水流等恶劣海洋环境因素作用，网衣结构经常会发生破坏，严重影响了渔业生产的正常进行，并会造成不可估量的经济损失。研究网衣在波流作用下的水动力响应特性，合理设计网衣结构，是解决制约网箱养殖业可持续发展的一个重要手段。传统纤维类网衣为多孔小直径柔性构件，在波流作用下的受力变形是一个复杂的动力响应过程，采用一般的理论分析计算，很难得出合乎实际的结果，因此采用模型试验来研究网衣的水动力响应特性是通常采用的方法，而遵循科学合理的模型相似准则是进行模型试验的首要前提。考虑到网衣特殊的结构，针对试验模型制作可行性及试验条件，各国学者在模型相似准则设计方面进行了相关研究，得到了各类网衣相关水动力特性。本文主要对渔用网衣相似准则的研究进展进行了综述。

1 研究进展

20世纪30年代以来，国内外学者采用理论分析与模型试验方法，对渔具的水动力特性进行了相关研究。针对渔网特殊的结构，研究人员在采用模型试验方法研究时逐步提出了一些相似准则与改进方法，如Tauti准则、W.Dickson准则和B.A.Christensen准则[1-2]等。

1.1 Tauti准则

20世纪 30年代，Tauti[3-5]在对棉麻等植物纤维渔具(主要是拖网)进行模型试验发现，如果按同一几何相似比尺制作模型，则难以找到所需的网线。Tauti认为判别流态特征的雷诺数Re(2×103～1.25×104)正好处在圆柱体阻力曲线的“自动模拟区”，在Re=103～1.8×105的区间内，阻力系数不变，网片阻力不受雷诺数的影响，并假设：(1)受力时网线的伸长度忽略不计；(2)网片是充分柔软的；(3)网片受力变形慢且作用在网各部分的力是处于平衡状态。Tauti根据网片阻力与网线直径d和网目目脚长a的比值相关这一特性，认为只要保持模型和原型的d/a比值不变，即使改变d或a的大小，也不影响网衣阻力，因此在制作模型时，对于网衣总尺度选用大尺度比λ，对于网线直径和网目目脚选用小尺度比λ′，同时为保持几何相似，模型和原型网片的缩结系数必须相同。

Tauti准则存在的不足：(1)网具阻力系数是否处于“自动模拟区”？陈明义[6]认为各段网线与流向的夹角α不同，它们的阻力系数随雷诺数的变化是不同的，而且由于网线间的相互影响和结节的影响，整个网具的阻力系数随雷诺数的变化规律与一根垂直于流向的网线的阻力系数规律也不一样，所以假定的依据不充分；顾惠庭[7]认为阻力系数保持一定，可能是由于格子型组合的网线相互干扰的结果,也可能是因为网线的表面结构与圆柱体不同而造成阻力系数特性不同，而实际上模型网和原型网的雷诺数相差很大，对阻力系数的影响不可忽略不计；(2)Tauti准则要求水流流速按照小尺度比的平方根缩小，限制了部分实验条件的设计，因为在网箱试验中不仅要考虑水流条件，同时需要考虑波浪条件。如按照田内准则设计试验，则要采用相应的小尺度比对波浪进行缩放，但由此得到的波浪要素在实验室内往往无法实现。

1.2 W.Dickson准则

20世纪50年代末，W.Dickson基于弗洛德定律提出了W.Dickson准则，主要应用于大尺度的棉麻植物纤维拖网试验中[8]。W.Dickson准则前提条件为：(1)模型网上的浮子和沉子的密度与实物网相同；(2)网线材料须与实物网相同；(3)实际的升阻力并不总是与速度平方成正比，因此在线尺度比和速度比方面依据雷诺数Re应给予一定的限制。W.Dickson考虑到网衣结构的特殊性，对网目尺寸和网线直径提出尺度比λm和λd，要求在选定大尺度比尺λ和小尺度比尺λm和λd时，必须考虑到模型网衣和原型网衣之间，虽然相应的雷诺数不一样，但对应的阻力系数力求相同。按W.Dickson准则，一般要求网衣的模型比尺，λ≤8，λm、λd≤4。由于受这一条件限制，使得这一准则在深水养殖网箱模型试验中难以运用。

1.3 B.A.Christensen准则

20世纪 70年代，B.A.Christensen[3]提出合成纤维制作的网具模型试验换算准则，类似W.Dickson准则，对拖网选定大尺度比λ和网目尺寸与网线直径的小尺度比λm和λd。该准则以弗洛德重力相似定律为基础，要求网线高度柔软，为保证雷诺数相似，λ控制在10～15以内。此准则对雷诺数有所限制，因此在一定程度上限制了试验条件和适用条件。

1.4 投影面积修正方法

Fredriksson[9]基于莫里森公式，考虑了水阻力系数的变化，采用网线投影面积修正的方法对网衣模型进行了设计。此方法考虑了由于原型、模型雷诺数差异导致的水阻力变化，不足在于网衣水阻力系数的变化规律需通过模型试验确定，而水阻力系数又受到雷诺数、网线的投影面积系数及冲角等因素的影响，试验工作量大且相关关系不易确定，此外，对网衣投影面积修正后，也未考虑网衣的重量变化。

1.5 面积几何相似方法

2002年，桂福坤等[10]在开展深水养殖网箱研究工作初期，考虑模型比尺、网衣制作及网衣受力特点等因素，提出了面积几何相似方法。网衣受力为流阻力，阻力取决于网衣面积，所以在保持网衣总尺度的几何相似前提下，只需在网衣总尺度范围内使网线及节点的受力总面积取得几何相似而不必强求网衣上网目尺寸和网线直径的几何相似。这种方法实现的一个最简单途径就是在模型中仍采用原型网衣，这样模型中网线直径增加了λ倍，对应网目数减少了λ2倍，网衣单个节点面积增加了λ2倍，但相应节点数减少了λ2倍，因此模型中网线及节点的总受力面积恰好保持几何相似。试验对比结果表明直接采用原型网衣作为模拟网衣是合理和可靠的。

这种方法存在两点不足：（1）模型网衣的重量加大了λ倍，对实验结果有较小影响；（2）由于网衣厚度增加，网线跨距加大，网衣的刚度有所改变，对网衣的变形和受力结果有些影响。从试验结果看网衣变形会略偏小，而其受力值有所偏大。

1.6 变尺度方法

为克服田内相似准则在网箱模型试验中的困难，2005年李玉成等[11]提出采用重力相似准则结合网衣变尺度的模型设计方法，并从受力和变形特性上论证此方法与田内相似准则在网衣试验中的一致性，从而到达解决网衣模型相似以及试验条件设计的问题。所谓变尺度模型是指对于网衣的整体尺寸采用与网箱其它部件相同的主模型比尺λ，而对于网目大小和网线直径则采用另一较小的模型尺度λ'，从而减小模型网衣对水流流态的改变以及雷诺数的大幅变化，使试验条件尽量处于自动模拟区，以保证水动力相似并使网衣模型的制作可行。这样，可以模型比尺可达到λ=20或更大，且波浪作用条件下的深水网箱模型试验可以实现。由于网衣网目和网线直径按照小尺度λ'缩放，该方法给出了具体的质量及刚度差异的修正公式，并通过模型试验，验证了变尺度方法的可行性与可靠性。将变尺度方法应用到波浪试验中，不仅解决了田内相似准则对实验条件的限制，也克服了狄克逊等准则对模型比尺的约束，具有较好的适用性。

2 结论与展望

关于渔用网衣模型相似准则，国内外学者从不同条件、不同角度进行了诸多研究，取得了较多相关成果，从试验条件的拓展、模型比尺受限的解决到变尺度方法的应用，均为渔用网衣模型试验的科学实现提供了积极的基础依据，同时亦为进一步推动网衣构件与其他构件在工程上的联合使用研究奠定了可靠的理论基础保障。进入21世纪，网箱养殖设施工程装备日趋向深水、大型化发展，渔用网衣的使用将愈加广泛。目前我国正进行金属网箱改良测试及试点应用推广研究阶段，金属网箱的水动力特性研究是网箱实现产业化的关键基础工作，而开展金属网衣的研究是一项主要内容。考虑到金属网衣的特殊性，因此在今后一段时间内，金属网衣的模型相似准则设计问题需学者们认真研究。

[1]佘显炜. 论渔具模型试验准则中的若干问题[J]. 浙江海洋学院学报: 自然科学版, 2004, 23(4): 328-333.

[2]赵云鹏, 李玉成, 董国海. 深水抗风浪网箱水动力学特性研究[J]. 渔业现代化, 2011, 38(2): 10-16.

[3]周应祺. 渔具力学[M]. 北京: 中国农业出版社, 2001.

[4]王尔光. 渔具力学[M]. 大连: 大连水产学院, 1994.

[5]Tauti M. A Relation between experiments on model and on full scale of fishing Net[J].日本水产学会志, 1934, 3(4): 171-177.

[6]陈明义. 拖网模型试验小尺度雷诺相似准则的理论探讨[J]. 厦门水产学院学报, 1980, 4(4): 319-328.

[7]顾惠庭. 田内相似准则的雷诺数修正[J]. 水产科技情报,1978, 15: 18-21.

[8]佘显炜. 计算渔具力学导论[M]. 上海: 上海科学技术文献出版社, 2001.

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

[10]桂福坤, 李玉成, 张怀慧. 网衣受力试验的模型相似条件[J]. 中国海洋平台, 2002, 17(5): 22-25.

[11]李玉成, 桂福坤, 张怀慧, 等. 深水养殖网箱试验中的网衣相似准则应用[J]. 中国水产科学, 2005, 12(2): 179-187.