南极磷虾中层拖网性能研究

发布时间：2019-06-19 11:19

【摘要】：南极磷虾(Euphausia superba)是目前地球上已知的最大的单种生物资源,其巨大的生物量和潜在的开发价值受到各国的巨大关注。中国自2009年开始参与南极磷虾渔业,渔业企业派遣大型加工拖网渔船赴南极海域进行南极磷虾资源探捕,使用的渔具是随船同时引进或基于竹{t鱼拖网设计的大网目拖网。由于网具和网板不十分匹配,网口水平和垂直扩张均未达到理想状态,导致捕捞效果不甚理想,年捕捞量与挪威、韩国、日本等国家的渔船相比差距较大。2010年,中国自韩国引进的小网目南极磷虾拖网,在生产作业中亦表现出网具扩张效果不佳、产量不理想的情况。2012年,中国引进了日本专业南极磷虾捕捞加工船“福荣丸”(现船名“福荣海”),并随船配置了小网目南极磷虾专业拖网。2013年,“福荣海”投入生产后,捕捞量增幅明显。因此,对于南极磷虾拖网性能的研究是十分必要的。本文将拖网网具的快速性、扩张性、经济性和水动力性能作为渔具性能主要指标。为了解目前南极磷虾拖网的性能及受到哪些因素的影响,使用模型试验方法进行研究非常的必要。模型试验得到的结果与海上实测数据相结合,可以研究不同南极磷虾拖网性能差异,浮沉比、手纲、空纲及内网的线面积对网具性能的影响,可作为海上实测数据及计算机模拟计算的重要参考。本文首先通过收集到的文献对目前各国家使用的网具特点进行分析,了解目前应用的网具性能的优势和存在的缺点,以此确定3顶小网目网具(Net A、Net B和Net C)为原型网;其次,选择合适的模型试验准则,根据3顶南极磷虾拖网原型网网图换算模型网主要参数,并制作模型网;再次,采用虚拟尺度比进行模型试验参数的换算并进行模型试验,测得各网具性能,并以Net A为基础,研究浮沉比、手纲、空纲以及内网线面积对网具性能的影响;然后基于Net A,通过浮沉力等比例变化与阻力和网口高度的关系,拟合原型网各性能指标,与虚拟尺度比换算原网性能结果对比,验证虚拟尺度比所得结果的准确性;最后,根据各试验结果,对Net A进行优化设计。本文得到的主要结论如下:(1)目前各国应用的南极磷虾拖网中,大网目拖网因其线面积小,网具的快速性、经济性和水动力性能较之其它网具具有明显的优势。因其网具规格巨大,容易获得较好的袖端水平扩张和网口高度,但由于受到曳纲长度和网板性能的影响,其网具扩张性与网具的规格略有不符。小网目拖网由于网目尺寸小,逃逸空间更为有限,由于网板性能与网具较为匹配,袖端扩张和网口高度也较为理想,且与网具的规格更为符合。但小网目南极磷虾拖网线面积较大且多数为双层网身结构,因此,其快速性不如大网目拖网,以至于因其阻力与大网目拖网的巨大差异,造成网具的经济性和水动力性能不如大网目南极磷虾拖网。(2)通过理论分析确定Net A、Net B和Net C为原型网,选择田内准则进行模型网和模型试验参数的换算,并通过模型试验对不同南极磷虾拖网性能进行分析。模型试验中采用虚拟小尺度比为9,虚拟速度比为3,模型试验平均速度分别为:0.345 m/s、0.428 m/s、0.513 m/s、0.599 m/s、0.685 m/s。L/S取值范围为:0.4-0.55,以0.05为间距,分4档,各个实验条件下进行3次重复试验,取平均值进行原型网参数的换算。试验结果为:拖速对阻力、扩张性能(网口高度、垂直扩张率、扫海面积和网口扩张率)、经济性(能耗系数)、水动力性能和平均冲角均存在显著性的影响(P0.05);L/S则对以上参数没有显著性影响(P0.05);Net C的综合性能明显优于Net A和Net B;Net C的快速性明显优于其它2顶网具(P0.05),扩张性则Net A最佳,单层网身结构的Net C则优于Net B;网具水中运动时能够保持网身稳定,网身呈流线型,Net C后端收缩相对明显,3顶网具各段均保持平滑状态;根据小山武夫与胡夫祥的不同形式的拖网阻力估算方程,南极磷虾拖网阻力估算方程可表示为:当n≠2时,Net A:1.6690.086A d R CLV a=;Net B:0.0651.678B d R CLV a=;Net C:0.0301.535C d R CLV a=;当n=2时,Net A:20.076A d R CLV a=和0.328 21(0.209)2A eRρR SV-=;Net B:20.057B d R CLV a=和0.318 21(0.191)2B eRρR SV-=;Net C:0.0252C d R CLV a=和0.460 21(0.202)2c eRρR SV-=。(4)基于Net A,通过正交试验分析浮沉比、手纲及空纲对于网具性能的影响。浮沉比通过浮力调整来实现,将浮沉比、手纲、空纲分别设为:A(0.9、1.2、1.5)、B(2.00 m、2.25 m、2.50 m)、C(2.00 m、2.25 m、2.50 m);根据正交试验表在5个平均拖速、4个L/S水平下进行试验,共进行2次重复试验。试验结果表明:3个因素对网具的阻力、网口高度和能耗系数均不存在显著性影响(PA0.05,PB0.05,PC0.05)。鉴于能耗系数相对能综合反映网具阻力和扩张性能的关系,针对能耗系数的方差分析结果,各因素的影响排序分别为:当L/S=0.4时,空纲手纲浮沉比;当L/S=0.5时,手纲空纲浮沉比;当L/S=0.55时,手纲浮沉比空纲;当L/S=0.55时,手纲浮沉比空纲。不同L/S时对应的最优组合分别为:A2B2C1,即浮力为816 g,浮沉比为1.2,手纲为2.25 m,空纲为2.00 m;A2B2C3,即浮力为816 g,浮沉比为1.2,手纲为2.25 m,空纲为2.50 m;A2B2C2,即浮力为816 g,浮沉比为1.2,手纲为2.25 m,空纲为2.25 m;A2B2C2,即浮力为816g,浮沉比为1.2,手纲长为2.25 m,空纲为2.25 m。建议今后网具性能调整时可考虑适当增加浮沉比,减小手纲长度,增加空纲长度。(5)基于Net A,通过减少内网的线面积,分析内网对南极磷虾拖网性能的影响。试验在5个平均拖速、4个L/S水平下进行试验,共进行3次重复试验。PA材料模型网内网依次取下,根据线面积比例拟合内网全部取下后的结果,并与模型网外网为PE材料试验结果进行对比。试验结果表明:内网线面积对于各性能存在显著性影响(P0.01)。不装配内网时,阻力最大下降41.33%;网口高度和垂直扩张率最大增加19.11%,扫海面积与网口扩张率增加幅度与网口高度相同,能耗系数与水动力性能得到明显改善。与Net C相比,Net A除阻力外,其它性能指标均优于Net C。建议今后南极磷虾拖网设计时应重点考虑单层网身结构的网具。(6)通过浮沉力同时按比例改变,采用虚拟速度比进行模型试验,可得到的模型网的阻力、网口高度与拖速的关系曲线,将实际计算得到的模型试验拖速代入曲线关系式,可得到对应的模型网的阻力与网口高度,根据浮沉力比例拟合原型网各性能结果,以此方法验证采用虚拟速度比时所得结果之准确性。浮沉力分别为原型网的30%、25%和20%。同时采用与原型网材料相同的模型网在虚拟速度下进行试验。试验在5个平均拖速、4个L/S水平下进行试验,共进行3次重复试验。试验结果表明,浮沉力同时变化时对阻力没有显著性影响(P0.05),而对网口高度存在显著性影响(P0.05)。两组试验所得原型网各性能与虚拟速度下得到的原型网试验结果相比均存在误差,各性能结果对应的最大误差均不超过15%,平均误差均在7%以下。(7)以Net A为基础,并根据相关试验结果,对其进行优化。Net A的主尺度保持不变,不装配内网,增大网袖至网身第5段的网目尺寸。调整后,网具的线面积由964.51 m2减少至486.90 m2,减少了49.5%,外网的线面积减少153.29 m2。网具的阻力进一步降低,网口高度得到增大。同时绘制优化网具的网图。本研究较为系统的分析了南极磷虾拖网的特点,研究结果对提高南极磷虾拖网作业性能,降低能耗,提高生产效率以及今后南极磷虾拖网的优化、设计具有重要的意义。希望本研究可以为南极磷虾拖网的发展提供必要的参数。
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【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S972.13

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