基于数值模拟的金枪鱼围网性能的研究

发布时间：2017-05-23 14:21

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【摘要】：现代金枪鱼围网由多种不同网目尺寸的网片组成,形成一张巨大的带状结构以有效地捕捞栖息于中上层水域的金枪鱼及金枪鱼类种群。在捕捞操作过程中,通过几乎圆周式的放网运动从空间上对鱼群进行包围,其后收绞括纲完成底部的闭合,最终网具形成碗状的形态,鱼群被包围扣押而不能逃逸。围网捕捞的效率与网具的空间形态和体积、沉降的性能以及收绞的快速性有关,这些性能取决于渔具自身的结构、海况环境和捕捞操作等因素。围网的设计与优化通常基于海上实测、模型试验和数值模拟的研究方法,本文利用基于集中质量法的数值模拟方法,建立围网网具三维几何模型并模拟围网包围和收绞过程中网具的空间运动和形态,最终实现模拟结果的可视化,通过对围网实物网片进行动水槽试验的水动力测试,为模型建立提供所需要的水动力学计算公式和经验参数;利用模型试验和海上实测从网具运动、变形、纲索受力等方面开展围网性能的基础研究,为动力学数值模拟提供参考的基础参数并用于验证模型的精确性,研究结果如下:(1)为了精确地实现围网数值模拟的可视化,需要获得实物网片的水动力学参数。本文针对四股编结(Ultra Cross)无节网片和无节捻线网片进行了动水槽试验,测试了网片垂直于来流时的阻力系数。UC网片的法向阻力系数表达为雷诺数和占空率的函数,且材料光滑度和结构类型的不同对阻力系数有影响。测试与水流具有冲角情况下的倾斜网片的阻力系数和升力系数,当冲角小于50度时(倾向于平行状态),阻力系数随着占空率的减小而增加;对于超过50度的冲角(倾向于垂直状态),阻力系数随着占空率的增加而增加。占空率对倾斜网片阻力系数的双重效应可用垂直和平行的阻力系数协同表示,升力系数的关系式可以忽略雷诺数的影响,占空率对升力系数依然存在双重影响,但这种关系与阻力系数的情况相反;网片平行于水流时,网片迎流处的网线对背流向的网线产生最大的阴影效应,阻力系数随着占空率的增加而减小,其关系式表达雷诺数和占空率的协同关系函数。通过非线性拟合得到的法向阻力系数公式、平行时阻力系数公式、倾斜时的阻力系数公式以及升力系数公式分别为:(2)为了获得数值模拟中所需要的网具运动和受力的基础参数,利用模型试验对围网的变形、运动和受力等参数进行测试,并对三种不同的放网方式下的沉子纲和浮子纲的几何变形、包围面积、最大沉降深度、以及网船漂流和移动等方面进行了量化,以便通过这三种作业形态对模拟进行验证。结果发现,与在静水条件下放网下的沉子纲呈现的正常的水滴形状相比,采用侧流放网(cross set)的方式放网会形成扭曲形状,采用顺流放网(front set)则会更加近似圆形,而背流放网(back set)使形状有些拉长和挤扁。顺流放网(front set)通过减小网圈的收缩率在保持最大网圈面积上具有优势,浮子纲和沉子纲构成的面积最大。沉子纲中部在不同放网方式下的沉降曲线可分为平直、内曲和外曲三种形式。从沉降形态方面来讲,背流放网(back set)可能是一个有利的放网策略。从渔船的运动角度来考虑,在流体作用力下,网具和船体本身均随水流横向移动,绞纲的反向拉力同时将船体拉至网圈内部,背流放网(back set)时沿水流方向的移动距离最大。顺流放网(front set)下由于网船的移动导致网船向网圈中心漂流的距离最大;在绞纲开始时,取鱼部的括纲首先受到张力作用,并且随着绞纲过程逐渐增加,在绞纲最后达到最大。取鱼部和后翼端部位括纲的张力换算至实物分别为300和200k N,取鱼部括纲的张力大于后翼端部位。(3)基于集中质量法的方法对围网建模。物理模型中,目脚之间的节点看做为集中质量点,目脚(圆柱体)的质量和受力被平均分配到相连的两个质点上,质点之间通过弹簧结构连接并提供张力,动力学方程通过梯形校正法求解以保证精度和稳定性;根据水动力和质量恒定法则确定等效网的网线直径和材料密度补偿,模拟结果实现放网和收绞过程的可视化,网具的受力分布显示收绞之前网头部分均受到较大的张力,沉子纲部位同样受到较大张力,对于即将绞收完毕的阶段,受到括纲的拉力影响,载荷集中于下方区域;模型中当施加0.4 Kn的水流时,网具发生了明显的变形,最大沉降深度达到250 m左右。(4)为了验证数值模拟的有效性,利用海上实测数据对沉降进行标准化后与模拟数值进行对比,利用围网模型试验验证数值模拟中网具的三维形态,模拟结果具有一定的精确性,但对于某些特殊情况下过高和过低的估计。在数值模拟中通过调整参数以完成网具的虚拟设计,以此测试不同参数下网具的性能:不同形态水流下的放网操作下,沉子纲沉降形态有差异;放网速度对沉降的影响为速度越快,沉降深度越大;网衣缩结系数对沉降性能的影响为缩结系数越小,沉降深度越大;网目尺寸放大有利于网具的沉降。
【关键词】：金枪鱼围网 水动力系数 模型试验 数值模拟 网具性能
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S972.21
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-13
• 引言13-16
• 第一章 金枪鱼围网概述16-29
• 1.1 金枪鱼围网网具结构16-19
• 1.1.1 金枪鱼围网的尺度和基本构造16-17
• 1.1.2 金枪鱼围网网片材料的选择17-18
• 1.1.3 两种典型的金枪鱼围网网具及其比较18-19
• 1.2 金枪鱼围网的操作技术19-20
• 1.3 金枪鱼围网网具的性能20-21
• 1.4 网具性能的研究方法和进展21-29
• 1.4.1 实物网海上试验21-23
• 1.4.2 模型试验23-26
• 1.4.3 动态数值模拟26-29
• 第二章 平面网片的水动力学特性29-47
• 2.1 引言29-30
• 2.2 水动力系数的研究回顾30-32
• 2.3 网片水动力系数水槽试验设计32-36
• 2.3.1 试验网片参数32-34
• 2.3.2 试验设置与数据获取34-36
• 2.4 水动力系数的测试结果和讨论36-46
• 2.4.1 法向阻力系数的确定36-37
• 2.4.2 网片平行水流的阻力系数37-39
• 2.4.3 网片与水流呈一定冲角的阻力系数和升力系数39-41
• 2.4.4 试验数据和经验公式的对比41-44
• 2.4.5 试验条件和设计的潜在影响44-46
• 2.5 结论46-47
• 第三章 围网性能的动水槽模型试验47-69
• 3.1 引言47-48
• 3.2 模型试验设计和测试48-55
• 3.2.1 母型网结构48-49
• 3.2.2 模型准则和模型网49-50
• 3.2.3 试验设置和流程50-52
• 3.2.4 模型试验图像计测方法52-55
• 3.3 结果55-61
• 3.3.1 水平形态和包围面积55-57
• 3.3.2 沉子纲的垂直沉降和形态57-60
• 3.3.3 网船的运动和绞纲张力60-61
• 3.4 讨论61-68
• 3.4.1 围网的运动变形和基本参数61-63
• 3.4.2 围网非定常运动模型准则的探讨63-68
• 3.5 结论68-69
• 第四章 基于集中质量法的围网动力学模拟69-84
• 4.1 围网数值模拟研究现状69-71
• 4.2 围网的动力学计算模型71-77
• 4.2.1 物理建模建立71
• 4.2.2 节点矩阵构造71-72
• 4.2.3 力学分析72-74
• 4.2.4 动力学方程74-75
• 4.2.5 数值计算方法75
• 4.2.6 等效网法则75-77
• 4.3 围网运动可视化77-84
• 4.3.1 运动及形变77-80
• 4.3.2 载荷分布80-81
• 4.3.3 水流对形态的影响81-84
• 第五章 数值模拟结果的验证84-94
• 5.1 基于实测的网具沉降标准化84-87
• 5.1.1 数据测试方法84-85
• 5.1.2 多元回归分析85-86
• 5.1.3 网具沉降的标准化模型86-87
• 5.2 网具沉降深度的验证87-88
• 5.3 网具形态的验证88-93
• 5.4 讨论93-94
• 第六章 基于数值模拟的网具沉降性能的分析94-98
• 6.1 水流的影响94-95
• 6.2 放网速度95
• 6.3 缩结系数95-96
• 6.4 网目大小96-98
• 总结与展望98-100
• 参考文献100-109
• 附录109-114
• 博士期间的科研活动114-116
• 致谢116-117

  本文关键词：基于数值模拟的金枪鱼围网性能的研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：388222