網(wǎng)漁具水動(dòng)力學(xué)特性的數(shù)值模擬研究——以刺網(wǎng)和張網(wǎng)為例.pdf

1、網(wǎng)漁具由柔軟的網(wǎng)衣、繩索以及浮、沉子等材料所構(gòu)成，在作業(yè)過(guò)程中受到水流和波浪以及浮沉力等的作用展開(kāi)呈一定的形狀。為此，設(shè)計(jì)者利用水槽模型實(shí)驗(yàn)和力學(xué)分析等手段，希望在設(shè)計(jì)階段能夠預(yù)測(cè)漁具在作業(yè)時(shí)的形狀、受力及其運(yùn)動(dòng)的特性，以優(yōu)化漁具的設(shè)計(jì)，達(dá)到良好的捕撈效果。近十年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)、力學(xué)分析方法的進(jìn)步，關(guān)于網(wǎng)漁具水動(dòng)力學(xué)特性的數(shù)值模擬研究已逐漸成為漁具力學(xué)領(lǐng)域的研究前沿，引起了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究者的更多關(guān)注，取得了一些令人矚目的成果。

2、
　　 網(wǎng)衣在波流場(chǎng)中同時(shí)受到拖曳力以及慣性力的作用，在漁具力學(xué)的計(jì)算分析中，流體作用力計(jì)算普遍使用了工程上的阻力公式，但其關(guān)鍵問(wèn)題在于了解和選擇合理的拖曳力系數(shù)Cd以及慣性力系數(shù)Cm?；仡欉^(guò)去的研究，網(wǎng)衣在流場(chǎng)中的拖曳力系數(shù)Cd的研究結(jié)果相對(duì)較多，而網(wǎng)衣慣性力系數(shù)Cm的研究卻近乎空白。本文為研究柔性網(wǎng)衣在波浪中的水動(dòng)力特性，特別設(shè)計(jì)開(kāi)展了水槽中的網(wǎng)衣受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)網(wǎng)衣為方形，網(wǎng)衣四角通過(guò)專門設(shè)計(jì)的可測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向力的“π”型

3、測(cè)力計(jì)與受迫振動(dòng)裝置相連，并給予一定的初始張力。其次，建立與此實(shí)驗(yàn)相匹配的網(wǎng)衣在水下振動(dòng)的有限元?jiǎng)恿?shù)值模型。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)受力與計(jì)算受力進(jìn)行傅里葉分析后得到的振幅與相位的比較，用最小二乘法和迭代的方法確定拖曳力系數(shù)Cd和慣性力系數(shù)Cm。觀察不同的參數(shù)對(duì)Cd與Cm的影響，得到以下結(jié)論：
　　 (1)頻率比較小的時(shí)候，拖曳力是主導(dǎo)力；隨著頻率的增加，慣性力的貢獻(xiàn)越來(lái)越大。另外，Kc數(shù)對(duì)于慣性力有一個(gè)正面的積極作用。對(duì)于較大的Kc數(shù)，慣

4、性力所占的比重也越大。(2)隨著頻率的增加，Cd與Cm都有下降趨勢(shì)，Cd隨著雷諾數(shù)Re變化的趨勢(shì)與在流場(chǎng)中的結(jié)果相似：(3)振動(dòng)幅度的增加會(huì)使Cd下降，但是對(duì)Cm的影響不是太明顯；(4)網(wǎng)衣的疏密度對(duì)Cd和Cm均有積極作用。
　　 其次，建立了網(wǎng)衣在波流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的有限元?jiǎng)恿?shù)值模型，并以刺網(wǎng)類漁具與張網(wǎng)類漁具為例，進(jìn)行了漁具水動(dòng)力學(xué)特性的數(shù)值模擬。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，數(shù)值計(jì)算采用了“網(wǎng)目群化”(mesh-grouped)的方法，即在保

5、持力學(xué)相似與幾何相似的條件下，將一定目數(shù)的實(shí)際網(wǎng)目合并成一個(gè)虛擬的計(jì)算網(wǎng)目進(jìn)行計(jì)算，以減少計(jì)算量。在刺網(wǎng)和張網(wǎng)漁具的水槽模型實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)在網(wǎng)具上安裝發(fā)光二極管作為示蹤點(diǎn)，用CCD記錄示蹤點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡；通過(guò)對(duì)定常流和波流聯(lián)合作用下漁具的錨繩受力與發(fā)光二極管示蹤點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較與分析，結(jié)果表明：模型實(shí)驗(yàn)的實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果符合良好。
　　 第三，數(shù)值模擬方法不僅可以獲得波流作用下網(wǎng)漁具的形狀、張力分布和運(yùn)動(dòng)特性，還