网渔具水动力学特性的数值模拟研究——以刺网和张网为例

摘要

网渔具由柔软的网衣、绳索以及浮、沉子等材料所构成，在作业过程中受到水流和波浪以及浮沉力等的作用展开呈一定的形状。为此，设计者利用水槽模型实验和力学分析等手段，希望在设计阶段能够预测渔具在作业时的形状、受力及其运动的特性，以优化渔具的设计，达到良好的捕捞效果。近十年来，由于计算机技术和数学、力学分析方法的进步，关于网渔具水动力学特性的数值模拟研究已逐渐成为渔具力学领域的研究前沿，引起了国内外相关研究者的更多关注，取得了一些令人瞩目的成果。
　　 网衣在波流场中同时受到拖曳力以及惯性力的作用，在渔具力学的计算分析中，流体作用力计算普遍使用了工程上的阻力公式，但其关键问题在于了解和选择合理的拖曳力系数Cd以及惯性力系数Cm。回顾过去的研究，网衣在流场中的拖曳力系数Cd的研究结果相对较多，而网衣惯性力系数Cm的研究却近乎空白。本文为研究柔性网衣在波浪中的水动力特性，特别设计开展了水槽中的网衣受迫振动实验。实验网衣为方形，网衣四角通过专门设计的可测量两个方向力的“π”型测力计与受迫振动装置相连，并给予一定的初始张力。其次，建立与此实验相匹配的网衣在水下振动的有限元动力数值模型。通过对实验受力与计算受力进行傅里叶分析后得到的振幅与相位的比较，用最小二乘法和迭代的方法确定拖曳力系数Cd和惯性力系数Cm。观察不同的参数对Cd与Cm的影响，得到以下结论：
　　 (1)频率比较小的时候，拖曳力是主导力；随着频率的增加，惯性力的贡献越来越大。另外，Kc数对于惯性力有一个正面的积极作用。对于较大的Kc数，惯性力所占的比重也越大。(2)随着频率的增加，Cd与Cm都有下降趋势，Cd随着雷诺数Re变化的趋势与在流场中的结果相似：(3)振动幅度的增加会使Cd下降，但是对Cm的影响不是太明显；(4)网衣的疏密度对Cd和Cm均有积极作用。
　　 其次，建立了网衣在波流场中运动的有限元动力数值模型，并以刺网类渔具与张网类渔具为例，进行了渔具水动力学特性的数值模拟。为了简化计算，数值计算采用了“网目群化”(mesh-grouped)的方法，即在保持力学相似与几何相似的条件下，将一定目数的实际网目合并成一个虚拟的计算网目进行计算，以减少计算量。在刺网和张网渔具的水槽模型实验中，通过在网具上安装发光二极管作为示踪点，用CCD记录示踪点的运动轨迹；通过对定常流和波流联合作用下渔具的锚绳受力与发光二极管示踪点运动轨迹的计算值与实验值的比较与分析，结果表明：模型实验的实测值与数值计算结果符合良好。
　　 第三，数值模拟方法不仅可以获得波流作用下网渔具的形状、张力分布和运动特性，还可以利用计算机图形技术，对渔具的形状、张力分布和运动进行3D虚拟呈现，将此与计算机辅助设计相结合，可进一步为渔具的理论设计提供理论基础。