拖网网具系统水弹性力学特性的数值模拟研究

发布时间：2018-06-16 14:04

本文选题：拖网网具 + 水弹性　；参考：《浙江大学》2016年博士论文

【摘要】：海洋是人类的资源宝库,海洋渔业为人类的生存和发展提供了丰富的营养,是人类重要的食物来源。拖网作为海洋渔业中最广泛使用的捕捞技术,其产量占世界捕捞总量的百分之四十以上,重要程度不言而喻。拖网网具系统是拖网作业的重要部件,由拖网网衣、手纲、网板以及曳纲等组成,其性能对捕捞效率、拖网船能耗有着决定性的作用。因此,拖网网具系统的设计、优化是海洋渔业研究中的热点。拖网网具在水中运动时受水流作用而表现出极大的柔性变形,此变形也会改变网具所受的水动力,因此普遍认为拖网网具在水中的运动是一种水弹性力学行为。拖网网具水弹性力学特性主要表现为网具在水流中的受力与变形。现有拖网网具系统水弹性力学特性的分析手段主要有三种:实物海试,模型试验以及数值仿真。相较于其他两种方法,数值仿真具有使用成本低、开发周期短、参数易调整、数据一致性高、结果受干扰小的特点,在拖网网具系统的设计、优化中起到越来越重要的作用。然而,现有的拖网网具数值模拟技术还存在很多不足,最重要的一点就是其计算效率极低,一顶网具进行一次数值试验往往需要运算数天时间,严重限制了数值模拟技术在网具水弹性力学特性分析以及设计、优化方面的应用。其次,由于其计算效率低,间接的限制了拖网网具数值模型向更复杂,更精确的方向发展。为了克服拖网网具系统数学模型所存在的上述问题,并进一步提高系统模型的准确性,本文针对大型拖网网具系统水弹性力学特性的数值模拟方法开展了研究。论文首先给出了大型拖网网具系统结构建模的基本方法。基于所建立的网具模型以及数值求解方法,推导了网具系统的数值稳定性判据;并根据数值稳定性判据,提出了提高网具仿真计算效率的优化方法。通过优化,可以提高拖网模型的计算效率40倍左右,而由于优化引入的仿真结果的失真不超过2%。之后,本文使用流固耦合的方法进一步研究了拖网网具的水弹性力学特性,并将仿真结果与实验数据进行了对比。结果表明,使用本文所提出的拖网网具流固耦合建模方法,仿真出的流场与网具水动力结果与实验值之间的误差在2%-6%之间,而计算速度较现有的方法快上百倍,特别适用于网状结构流固耦合的水弹性力学分析计算。为了使拖网系统模型在拖曳参数变化范围较大时也能得到准确的结果,本文提出了拖网网板的六自由度建模方法,并使用海试数据对网板参数进行辨识。当在曳纲长度在200m-900m范围内变化时,使用包含网板六自由度模型的拖网系统仿真结果与海试数据的最大偏差在5%左右。最后,在前文所建立的网具数学模型的基础上,通过数值试验的方法总结归纳了拖网网具的负载特性。论文全文安排如下:第1章介绍了拖网网具系统的组成及其水弹性力学特性的研究方法,阐述了拖网网具系统水弹性力学特性数值模拟及相关内容的研究现状,交代了本课题的研究背景,指出了本课题的研究意义,说明了本课题的主要研究内容。第2章主要说明了使用集中质量法建立拖网网具系统结构模型的基本方法,给出了网片、目脚以及结节的水动力计算公式,推导了代表网具运动的集中质量点的运动方程。比较了网目合并方法对仿真精度的影响。第3章通过对拖网网具数学模型计算发散的过程进行分析,提出了基于网具集中质量模型基本单元的网具模型数值稳定性分析方法。通过将网具模型的数值求解过程等效为一个离散系统,推导了网具模型的数值稳定性判据,并据此进一步设计了网具模型的优化方法,用于提高拖网网具模型的计算效率。第4章建立了拖网网具与其周围水流耦合作用的模型。网具周围的流场使用有限体积法建模。在流场模型和网具模型的基础上,提出了混合体积法用于将网具离散到流场模型的控制单元中,网具对流体的阻滞力通过牛顿第三定律直接将网具水动力的反力表示在流场模型RANS方程的源项当中。为了验证所建立模型的准确性,本章将仿真得到的网具水动力和流场分布结果与实验数据进行了对比。第5章介绍了拖网网板的六自由度建模方法。本章首先对网板模型的几何参数以及参考坐标系进行了定义,在此基础上给出了拖网网板工作角度与水动力系数的计算公式,并推导了网板的运动方程。文中网板的水动力系数表示为网板工作角度的函数,并通过最优化算法辨识了网板的水动力系数与其工作角度间关系函数的系数。第6章使用前文所建立的拖网网具系统模型,对不同拖曳参数以及海浪干扰组合下的拖网网具曳纲张力进行了 600组数值试验。使用数值试验结果,通过曲线拟合的方法,总结归纳了拖网网具的负载特性。最后,将网具负载特性函数计算出的曳纲张力与网具物理模型计算出曳纲张力进行了对比,验证了本文网具负载特性函数归纳方法的可行性。第7章对本论文的研究工作进行了概述,提出了本论文的主要结论及创新点,并展望了下一步的研究方向和研究内容。
[Abstract]:In order to overcome the above mentioned problems and to improve the accuracy of the system model , the numerical simulation technology of trawl net has three main characteristics : physical sea test , model test and numerical simulation . In this paper , the numerical stability criterion of trawl net is presented in this chapter .
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S972.13

【参考文献】