網(wǎng)板在拖網(wǎng)作業(yè)中的應(yīng)用

網(wǎng)板在拖網(wǎng)作業(yè)中的應(yīng)用

拖網(wǎng)是捕魚(yú)中最重要的手術(shù)方法之一，具有自動(dòng)化、靈活、高效等優(yōu)點(diǎn)。網(wǎng)板是單船拖網(wǎng)的重要屬具,它有實(shí)現(xiàn)網(wǎng)具水平擴(kuò)張、沉降器和驅(qū)集魚(yú)群等作用。網(wǎng)板性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到拖網(wǎng)生產(chǎn)的漁獲性能和經(jīng)濟(jì)效益。網(wǎng)板應(yīng)用歷史較長(zhǎng),種類(lèi)繁多。目前最常用的有矩形、橢圓形平面開(kāi)縫、V型、大展弦比曲面、綜合型、立式V型曲面、矩形V型曲面7種結(jié)構(gòu)型式。其中矩形網(wǎng)板和V型網(wǎng)板在近海單拖網(wǎng)漁業(yè)中廣泛應(yīng)用,其他類(lèi)型的網(wǎng)板多用于大型遠(yuǎn)洋單拖作業(yè)。在我國(guó),近岸小功率單拖漁船多采用V型網(wǎng)板和橢圓型網(wǎng)板,網(wǎng)板面積為2.3~3.2m2。V型網(wǎng)板具有結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉,穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)。馮森等對(duì)2.5m2V型網(wǎng)板(板面折角為15~16°)進(jìn)行了模型試驗(yàn),得出了該型網(wǎng)板的升阻力系數(shù)和該型網(wǎng)板的臨界沖角。張勛等進(jìn)行了立式V型曲面和矩形V型曲面兩種網(wǎng)板的水動(dòng)力性能的研究,以及各種網(wǎng)板水動(dòng)力性能的對(duì)比。徐寶生等人也對(duì)矩形V型曲面和V型網(wǎng)板進(jìn)行了作業(yè)性能和漁獲效果的對(duì)比試驗(yàn),得出矩形V型曲面網(wǎng)板在水平擴(kuò)張力、總產(chǎn)值、單位油耗產(chǎn)量、產(chǎn)值與利潤(rùn)均高于對(duì)比船的結(jié)論。關(guān)于小型漁船的網(wǎng)板研究,孫泰昌等設(shè)計(jì)帆布柔性網(wǎng)板,孫春錄等研制了雙縫口平面矩形網(wǎng)板,但都未對(duì)小型漁船所用V型網(wǎng)板做過(guò)研究。目前隨著漁業(yè)資源的衰竭,近海捕撈的規(guī)模也隨之變小。近海小型漁船逐漸增多,僅2009年較2008年就增長(zhǎng)了13401艘,增長(zhǎng)速度為3.86%。從捕撈漁船的組成來(lái)看,主機(jī)功率小于等于44.1kW的捕撈漁船占總數(shù)的83.7%。從船長(zhǎng)來(lái)看,12m以下船長(zhǎng)的機(jī)動(dòng)漁船數(shù)分別較上年增長(zhǎng)了7.7%,并且數(shù)量的增長(zhǎng)速度是最快的,據(jù)報(bào)道,僅青島近海作業(yè)的5300余艘漁船中功率44.13kW以下的占大多數(shù),嶗山區(qū)1464艘漁船90%以上是8.83kW以下的小型漁船,漁船的主機(jī)功率變小,現(xiàn)今小型漁船已經(jīng)在我國(guó)漁船構(gòu)成中占據(jù)了重要的地位。山東近海有大量的小型拖網(wǎng)漁船,主機(jī)功率遠(yuǎn)小于上個(gè)世紀(jì)東海南海的拖網(wǎng)漁船,網(wǎng)板面積也較小。作業(yè)方式也發(fā)生了顯著的變化,傳統(tǒng)雙拖作業(yè)減少,單拖作業(yè)增多。另外,國(guó)際油價(jià)的不斷上升,對(duì)漁業(yè)特別是拖網(wǎng)漁業(yè)產(chǎn)生了巨大的沖擊。為確保漁業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益,減少作業(yè)阻力,降低油耗尤為重要。對(duì)于拖網(wǎng)漁船來(lái)說(shuō),阻力主要來(lái)源于網(wǎng)具,除了網(wǎng)衣再者就是網(wǎng)板,網(wǎng)板阻力占整個(gè)網(wǎng)具的12.7%~27.2%。因此找到網(wǎng)板的最佳沖角提高升阻比,才能夠有效的做到節(jié)能減排。而且多使用網(wǎng)板面積約為1m2的網(wǎng)板。作者通過(guò)對(duì)調(diào)查到的1m2V型網(wǎng)板進(jìn)行模型試驗(yàn),意在得出該型網(wǎng)板的升阻力系數(shù)和達(dá)到最大升阻比的迎流沖角。1材料和方法1.1實(shí)際網(wǎng)板模型本實(shí)驗(yàn)網(wǎng)板原型為小型拖網(wǎng)漁船采用的一種V型網(wǎng)板,調(diào)查漁船船長(zhǎng)14.3m,船寬3.8m,木質(zhì),主機(jī)功率17.64kW,作業(yè)拖速2nm/h,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)板間距為170~200m。網(wǎng)板材料為鋼板,翼展(l)為0.74m,翼弦(c)為1.3m,板面折角為21.5°。網(wǎng)板背流面平均分布三根加強(qiáng)鋼筋,前部“V”形折角處焊接三角形鋼片。圖1為實(shí)際網(wǎng)板的正視圖與側(cè)視圖的尺寸規(guī)格。實(shí)物網(wǎng)板和模型網(wǎng)板見(jiàn)圖2。根據(jù)田內(nèi)相似準(zhǔn)則,設(shè)計(jì)制作網(wǎng)板模型,實(shí)物網(wǎng)板和模型網(wǎng)板的具體參數(shù)見(jiàn)表1。線性尺度比s為網(wǎng)板主尺度之比,網(wǎng)板平面面積比、來(lái)流速度比與尺度比的關(guān)系如下:式中的下標(biāo)1表示實(shí)物網(wǎng)板,下標(biāo)2表示模型網(wǎng)板。1.2試驗(yàn)段范圍及穩(wěn)定流速實(shí)驗(yàn)于2011年8月17日至8月24日在中國(guó)海洋大學(xué)增養(yǎng)殖工程水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室循環(huán)水槽中進(jìn)行。該循環(huán)水槽試驗(yàn)段尺寸為4m×1.2m×1m,抑波板長(zhǎng)度0.6m,流速范圍為0~1.2m/s,穩(wěn)定流速范圍為0.1~0.8m/s。另外水槽配備有小威龍Vectrino點(diǎn)式流速儀,量程0~2m/s,精度±0.5%,以及六分力儀傳感器,量程0~50kg,精度0.3%。1.3平面中心距限制圖3為網(wǎng)板模型試驗(yàn)的布設(shè)圖。固定點(diǎn)式流速儀放置在距試驗(yàn)段水流入口2m,水深0.5m處。將網(wǎng)板通過(guò)垂直桿固定在六分力儀下端,網(wǎng)板平面中心距水槽試驗(yàn)段入口3m,網(wǎng)板上邊緣距水面0.17m。實(shí)驗(yàn)流速在水槽穩(wěn)定流速范圍之內(nèi)。首先實(shí)驗(yàn)測(cè)量沖角為10°、20°、30°、39°、51°、60°時(shí),速度為0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s、0.6m/s、0.7m/s下的網(wǎng)板所受的阻力、升力和豎直方向力。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到模型區(qū)域后,進(jìn)一步測(cè)量在相應(yīng)流速下的15°、25°、35°、55°沖角的網(wǎng)板受力。1.4網(wǎng)板升力及阻力實(shí)驗(yàn)測(cè)定網(wǎng)板所受的水動(dòng)力,包括促使網(wǎng)口張開(kāi)的擴(kuò)張力,也包括阻礙拖網(wǎng)前進(jìn)的阻力。由于水動(dòng)力隨流速的變化而變化,待流速穩(wěn)定后,依次開(kāi)始收集流速和受力的數(shù)據(jù),流速值和所受力同時(shí)記錄并傳輸至計(jì)算機(jī)。記錄六分力儀30min所收集的600個(gè)數(shù)據(jù),取其平均值,即得到相應(yīng)的阻力DR和升力RL。取點(diǎn)式流速儀同期記錄的1000個(gè)數(shù)據(jù),采用拉依特(PauT)準(zhǔn)則剔除異常數(shù)據(jù),再求其平均值,得到流速。由實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),根據(jù)漁具力學(xué)基本公式,計(jì)算出具體的升力系數(shù)、阻力系數(shù)、升阻比。式中,LR、DR分別為網(wǎng)板的升力和阻力(N);CL、CD分別為升力系數(shù)和阻力系數(shù);v為流速(m/s);Cr為網(wǎng)板升阻比;S為網(wǎng)板平面面積(m2);c為網(wǎng)板翼弦長(zhǎng)(m);ρ為流體密度(kg/m3);ν為流體運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù);eR為雷諾數(shù)。2結(jié)果2.1升力系數(shù)ree圖4圖5分別為網(wǎng)板阻力系數(shù)CD、升力系數(shù)和Re數(shù)的關(guān)系曲線。試驗(yàn)流速為0.2~0.7m/s,對(duì)應(yīng)的Re數(shù)則為1.29×105~4.50×105。從圖4可看出,阻力系數(shù)變化趨勢(shì)一致,在Re數(shù)在1.29×105~3.14×105,阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增大有減小的趨勢(shì)。在Re數(shù)在3.14×105~4.50×105,阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定。從圖5可看出,在Re數(shù)3.14×105~4.50×105升力系數(shù)大體一致,無(wú)較大波動(dòng)。但在Re數(shù)小于3.14×105,沖角為10°、20°、51°時(shí),升力系數(shù)波動(dòng)幅度較大,呈先減小后增大的趨勢(shì)。由升阻力系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系,可以得出Re數(shù)3.14×105~4.50×105在該網(wǎng)板的自動(dòng)模型區(qū)內(nèi),經(jīng)計(jì)算得對(duì)應(yīng)實(shí)際網(wǎng)板拖速范圍為0.69~0.99m/s。2.2沖角對(duì)網(wǎng)板阻力系數(shù)的影響計(jì)算自動(dòng)模型區(qū)內(nèi)升力系數(shù)、阻力系數(shù)的平均值,即為該網(wǎng)板的升阻力系數(shù)。圖6為網(wǎng)板阻力系數(shù)CD、升力系數(shù)CL與沖角α的關(guān)系曲線。如圖6所示,0~60°沖角下,網(wǎng)板阻力系數(shù)為0.22~1.98,隨沖角α的增加而增大。升力系數(shù)為–0.11~1.08,其隨沖角α的增加有增大的趨勢(shì),到達(dá)臨界沖角50°,升力系數(shù)下降。2.3網(wǎng)板升阻比及最佳沖角判別網(wǎng)板擴(kuò)張效果經(jīng)常用升阻比,即升力系數(shù)與阻力系數(shù)的比值,這個(gè)比值越大,標(biāo)志著升力越大,阻力越小,亦是網(wǎng)板的效率越高。因此升阻比是判斷網(wǎng)板性能的優(yōu)劣的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。為找到更為精確的升阻比和最佳沖角,實(shí)驗(yàn)加做了15°、25°、35°、55°沖角情況下網(wǎng)板的受力情況。圖7為網(wǎng)板升阻比與來(lái)流沖角的關(guān)系曲線。從曲線中可以看出,在沖角在15~25°附近時(shí),網(wǎng)板的升阻比到達(dá)最大,約為1.86,即網(wǎng)板效率最高。另外從圖中還可以看出,網(wǎng)板沖角在10~25°范圍內(nèi)都能維持較大的升阻比。網(wǎng)板在0°沖角時(shí),實(shí)驗(yàn)所得升阻比為負(fù)值,原因可能在于網(wǎng)板背面加強(qiáng)筋和焊接固定桿引起局部的流態(tài)變化。3網(wǎng)板沖角的影響本試驗(yàn)得出雷諾數(shù)Re為1.29×105~4.50×105,在該型網(wǎng)板自動(dòng)模型區(qū)域內(nèi),由于試驗(yàn)循環(huán)水槽流速僅能達(dá)到0.8m/s,無(wú)法做出雷諾數(shù)的全范圍。參照平板在垂直來(lái)流下阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系,即Re為103~107時(shí),阻力系數(shù)不變。則實(shí)物網(wǎng)板在作業(yè)時(shí)Re1.32×106~1.46×106也在自動(dòng)模型區(qū)內(nèi),其水動(dòng)力系數(shù)與模型網(wǎng)板一致。試驗(yàn)網(wǎng)板達(dá)到最大升力系數(shù)的沖角是50°,升阻比最大的臨界沖角為20°,升阻比最大約為1.86,CLmax和Crmax均低于各型網(wǎng)板,水動(dòng)力效率略低于其他網(wǎng)板。目前該型網(wǎng)板的實(shí)際使用沖角為25°左右,為了使作業(yè)時(shí)達(dá)到最佳擴(kuò)張效果,可以通過(guò)改變曳綱或網(wǎng)板叉綱的連接位置,適度的改變作業(yè)沖角。網(wǎng)板沖角在10~25°范圍內(nèi)都能維持較大的升阻比,從節(jié)能減排的意義上考慮,把網(wǎng)板的使用沖角設(shè)定在這個(gè)范圍較為合理。但由于這種情況下網(wǎng)板沖角較小,升力系數(shù)也較小,無(wú)法提供較大的擴(kuò)張力來(lái)使網(wǎng)口得到充分?jǐn)U張。這時(shí)可以考慮增加網(wǎng)板面積來(lái)提高擴(kuò)張力。但一般來(lái)說(shuō),增加網(wǎng)板面積就意味著增加網(wǎng)板體積和重量,這在小型漁船上又涉及操作的困難。為了改變這種狀況,國(guó)外(日本等)曾研究過(guò)雙葉片緊湊型的小型網(wǎng)板,但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,造價(jià)也較高。從小型漁船要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低等角度考慮,為了改善原網(wǎng)板的水動(dòng)力性能,可以在保證牢固性和穩(wěn)定性的同時(shí),在網(wǎng)板板面上開(kāi)縫,使網(wǎng)板背部渦流受到較大動(dòng)能水流的沖擊,改善其背部的流態(tài),從而達(dá)到減少阻力的目的。也可通過(guò)在背部加