拖網(wǎng)網(wǎng)具系統(tǒng)水彈性力學(xué)特性的數(shù)值模擬研究.pdf

1、海洋是人類的資源寶庫，海洋漁業(yè)為人類的生存和發(fā)展提供了豐富的營養(yǎng)，是人類重要的食物來源。拖網(wǎng)作為海洋漁業(yè)中最廣泛使用的捕撈技術(shù)，其產(chǎn)量占世界捕撈總量的百分之四十以上，重要程度不言而喻。拖網(wǎng)網(wǎng)具系統(tǒng)是拖網(wǎng)作業(yè)的重要部件，由拖網(wǎng)網(wǎng)衣、手綱、網(wǎng)板以及曳綱等組成，其性能對捕撈效率、拖網(wǎng)船能耗有著決定性的作用。因此，拖網(wǎng)網(wǎng)具系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化是海洋漁業(yè)研究中的熱點。
　　拖網(wǎng)網(wǎng)具在水中運動時受水流作用而表現(xiàn)出極大的柔性變形，此變形也會改變網(wǎng)具

2、所受的水動力，因此普遍認(rèn)為拖網(wǎng)網(wǎng)具在水中的運動是一種水彈性力學(xué)行為。拖網(wǎng)網(wǎng)具水彈性力學(xué)特性主要表現(xiàn)為網(wǎng)具在水流中的受力與變形。現(xiàn)有拖網(wǎng)網(wǎng)具系統(tǒng)水彈性力學(xué)特性的分析手段主要有三種:實物海試，模型試驗以及數(shù)值仿真。相較于其他兩種方法，數(shù)值仿真具有使用成本低、開發(fā)周期短、參數(shù)易調(diào)整、數(shù)據(jù)一致性高、結(jié)果受干擾小的特點，在拖網(wǎng)網(wǎng)具系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化中起到越來越重要的作用。然而，現(xiàn)有的拖網(wǎng)網(wǎng)具數(shù)值模擬技術(shù)還存在很多不足，最重要的一點就是其計算效率極低

3、，一頂網(wǎng)具進(jìn)行一次數(shù)值試驗往往需要運算數(shù)天時間，嚴(yán)重限制了數(shù)值模擬技術(shù)在網(wǎng)具水彈性力學(xué)特性分析以及設(shè)計、優(yōu)化方面的應(yīng)用。其次，由于其計算效率低，間接的限制了拖網(wǎng)網(wǎng)具數(shù)值模型向更復(fù)雜，更精確的方向發(fā)展。
　　為了克服拖網(wǎng)網(wǎng)具系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型所存在的上述問題，并進(jìn)一步提高系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性，本文針對大型拖網(wǎng)網(wǎng)具系統(tǒng)水彈性力學(xué)特性的數(shù)值模擬方法開展了研究。論文首先給出了大型拖網(wǎng)網(wǎng)具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模的基本方法?；谒⒌木W(wǎng)具模型以及數(shù)值求解方法，

4、推導(dǎo)了網(wǎng)具系統(tǒng)的數(shù)值穩(wěn)定性判據(jù);并根據(jù)數(shù)值穩(wěn)定性判據(jù)，提出了提高網(wǎng)具仿真計算效率的優(yōu)化方法。通過優(yōu)化，可以提高拖網(wǎng)模型的計算效率40倍左右，而由于優(yōu)化引入的仿真結(jié)果的失真不超過2％。之后，本文使用流固耦合的方法進(jìn)一步研究了拖網(wǎng)網(wǎng)具的水彈性力學(xué)特性，并將仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，使用本文所提出的拖網(wǎng)網(wǎng)具流固耦合建模方法，仿真出的流場與網(wǎng)具水動力結(jié)果與實驗值之間的誤差在2％-6％之間，而計算速度較現(xiàn)有的方法快上百倍，特別適用于

5、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)流固耦合的水彈性力學(xué)分析計算。為了使拖網(wǎng)系統(tǒng)模型在拖曳參數(shù)變化范圍較大時也能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，本文提出了拖網(wǎng)網(wǎng)板的六自由度建模方法，并使用海試數(shù)據(jù)對網(wǎng)板參數(shù)進(jìn)行辨識。當(dāng)在曳綱長度在200m-900m范圍內(nèi)變化時，使用包含網(wǎng)板六自由度模型的拖網(wǎng)系統(tǒng)仿真結(jié)果與海試數(shù)據(jù)的最大偏差在5％左右。最后，在前文所建立的網(wǎng)具數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值試驗的方法總結(jié)歸納了拖網(wǎng)網(wǎng)具的負(fù)載特性。
　　論文全文安排如下:
　　第1章介紹了拖網(wǎng)

6、網(wǎng)具系統(tǒng)的組成及其水彈性力學(xué)特性的研究方法，闡述了拖網(wǎng)網(wǎng)具系統(tǒng)水彈性力學(xué)特性數(shù)值模擬及相關(guān)內(nèi)容的研究現(xiàn)狀，交代了本課題的研究背景，指出了本課題的研究意義，說明了本課題的主要研究內(nèi)容。
　　第2章主要說明了使用集中質(zhì)量法建立拖網(wǎng)網(wǎng)具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的基本方法，給出了網(wǎng)片、目腳以及結(jié)節(jié)的水動力計算公式，推導(dǎo)了代表網(wǎng)具運動的集中質(zhì)量點的運動方程。比較了網(wǎng)目合并方法對仿真精度的影響。
　　第3章通過對拖網(wǎng)網(wǎng)具數(shù)學(xué)模型計算發(fā)散的過程進(jìn)行分

7、析，提出了基于網(wǎng)具集中質(zhì)量模型基本單元的網(wǎng)具模型數(shù)值穩(wěn)定性分析方法。通過將網(wǎng)具模型的數(shù)值求解過程等效為一個離散系統(tǒng)，推導(dǎo)了網(wǎng)具模型的數(shù)值穩(wěn)定性判據(jù)，并據(jù)此進(jìn)一步設(shè)計了網(wǎng)具模型的優(yōu)化方法，用于提高拖網(wǎng)網(wǎng)具模型的計算效率。
　　第4章建立了拖網(wǎng)網(wǎng)具與其周圍水流耦合作用的模型。網(wǎng)具周圍的流場使用有限體積法建模。在流場模型和網(wǎng)具模型的基礎(chǔ)上，提出了混合體積法用于將網(wǎng)具離散到流場模型的控制單元中，網(wǎng)具對流體的阻滯力通過牛頓第三定律直接將網(wǎng)具

8、水動力的反力表示在流場模型RANS方程的源項當(dāng)中。為了驗證所建立模型的準(zhǔn)確性，本章將仿真得到的網(wǎng)具水動力和流場分布結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。
　　第5章介紹了拖網(wǎng)網(wǎng)板的六自由度建模方法。本章首先對網(wǎng)板模型的幾何參數(shù)以及參考坐標(biāo)系進(jìn)行了定義，在此基礎(chǔ)上給出了拖網(wǎng)網(wǎng)板工作角度與水動力系數(shù)的計算公式，并推導(dǎo)了網(wǎng)板的運動方程。文中網(wǎng)板的水動力系數(shù)表示為網(wǎng)板工作角度的函數(shù)，并通過最優(yōu)化算法辨識了網(wǎng)板的水動力系數(shù)與其工作角度間關(guān)系函數(shù)的系數(shù)。