1、第 38 卷第 2 期大连海洋大学学报Vol38 No22 0 2 3 年 4 月JOUNAL OF DALIAN OCEAN UNIVESITYApr 2 0 2 3DOI:1016535/jcnkidlhyxb2022-188文章编号:2095-1388(2023)02-0331-09不同水平扩张比和模拟渔获物对南极磷虾拖网整体形态的影响朱美熹1，唐浩1，2，3*，刘伟1，张锋1，孙秋阳1，许柳雄1，2，3，胡夫祥4(1.上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306;2.国家远洋渔业工程技术研究中心，上海 201306;3.大洋渔业资源可持续开发教育部重点实验室，上海 201306;4.
2、东京海洋大学，日本 东京 108-8477)摘要:为了解不同工况条件下的网具形态变化，以南极磷虾捕捞船“龙腾”轮采用的四片式拖网为研究对象，基于修正的田内准则制作 1/35 的模型网进行循环动水槽试验，考察流速(v)、水平扩张比(L/S)和渔获物对网具(整体形态、阻力和能耗系数)的影响。结果表明:拖网网口形状随流速、L/S 的增大呈被“压缩”趋势，当 L/S=0.35、v=30 cm/s 时，网口形态最佳，网囊中有或无模拟渔获物时的网口形状变化情况相似;流速一定时，网口面积随 L/S 的增大而增大，L/S 一定时，网口面积随流速的增大而减小，在低流速、高水平扩张比条件下，有模拟渔获物时的网口面
3、积随流速、L/S 改变而变化的程度较空网时更小;网身随流速、L/S 的增大同样呈被“压缩”趋势，且 L/S 改变时的“压缩”程度较流速更大，有模拟渔获物时的网身末端上扬现象较空网时更明显，且网身长度较空网时明显增长;流速不变时，随 L/S 的增大，网具阻力增加，能耗系数减小，且二者的变化程度均呈减缓态势;而 L/S 不变时，随流速的增大，网具阻力和能耗系数均增大，有模拟渔获物时的网具阻力与能耗系数较空网时更大，且流速越大，网具能耗系数与空网时的差异越大。研究表明，当 L/S=0.35、v=3.0 kn 时，可使网具以较佳作业性能运行。关键词:南极磷虾;拖网;形态;渔获量;水平扩张比中图分类号:
4、S 972.13文献标志码:A南极磷虾(Euphausia superba)是一种低脂肪、高蛋白的无脊椎生物，主要生活在南极洲水域，是南大洋生态系统中不可或缺的角色1。南极磷虾资源开发利用备受各国关注，也是中国空间拓展与战略资源开发领域科技创新工程的重点任务。由于南极磷虾体长较小，一般使用小网目拖网(small mashes trawls)进行捕捞，渔具具有锥形角小、滤水面积大和拖曳速度低等特点2-4。渔具性能的优劣决定着捕捞生产效率，因此，开展拖网渔具性能研究十分必要。影响渔具性能的因素众多，网线材料、网目尺寸和网具结构等属性参数是较为直接的因素。陈雪忠等5 研究发现，应用高强度聚乙烯网线的
5、拖网性能更优。Bruno 等6 利用动水槽试验分析网目尺寸、网线直径和网口形状对底拖网模型网水动力的影响时发现，网目尺寸越大、网线直径越小的拖网水动力表现较佳。冯超等7 在对南极磷虾桁杆拖网进行研究时发现，缩小腹网宽度和斜目缝合均能有效提高其作业性能。除渔具本身属性外，其作业工况也极大地影响着渔具实际捕捞性能。拖网在水中运动时，网具各部位会受到水流不同程度的冲击，使拖网整体形态发生改变，进而影响拖网作业状态8。此外，拖网形态的改变会对入网后的鱼、虾运动行为和逃逸路线造成一定影响，从而影响选择性。因此，良好的网具形态不仅使网具性能有所提升，还会减少被捕个体间的碰撞，提高渔获物质量。长期以来，较多
6、研究者采用数值模拟、海上实测和模型试验等手段对不同类型拖网的形态特性开展了相关研究。刘莉莉等9 利用有限元计算方法分析了拖网形状的变化情况，模拟计算值与动水槽试验结果吻合度较高，并发现随着流速增加，网身略微拉长，网口高度减小，而宽度有所增加。Wan等4 通过数值模拟计算获得了南极磷虾拖网的形状及张力分布情况，发现拖网网位随流速的增加而收稿日期:2022-06-09基金项目:国家自然科学基金(31902426);上海市青年科技英才扬帆计划资助(19YF1419800)作者简介:朱美熹(1999)，女，硕士研究生。E-mail:zhumx2021 通信作者:唐浩(1988)，男，博士，副教授。E-
7、mail:htang 整体后移，网口扩张逐渐减小。Lee 等10 利用数值模拟和动水槽试验，分析了拖网在不同流速下的侧视及俯视形态，发现网口高度随流速的增加而减小，且模型试验与数值模拟结果一致。陈明鑫11 基于动水槽试验对南极磷虾拖网形态进行了分析，结果表明，网口高度与网身深度差均随拖速及水平扩张比的增加而减小，且减小速率先增加后降低。周爱忠等12 对小网目南极磷虾拖网性能开展了试验研究，发现增大水平扩张使网口高度明显下降，阻力略微上升。许永久等13 对两种竹筴鱼中层拖网进行了水槽模型试验，结果表明，水平扩张对网口高度及网具阻力具有一定影响。徐鹏翔等14 在对日韩小网目南极磷虾拖网性能进行分析
8、时发现，网口高度随流速的增加迅速下降，当流速稳定时，网口形状保持不变，网身呈光滑流线形态。Tang等15 采用动水槽试验方法，评估了内网对南极磷虾拖网模型网物理特性的影响，发现减少内网面积可增加网口高度和扫海面积。尽管上述研究取得了一定进展，但多数研究以网口高度作为网具形态变化的主要指标，忽视了网具整体形态的变化情况，存在一定的局限性。此外，随着渔获物的逐渐堆积，网具线型会产生变化，渔获物应作为影响网具形态的重要因素被考虑在内。本研究中，选取南极磷虾拖网为母型网，基于修正的田内准则设计制作模型网，在动水槽中开展了不同流速、水平扩张和渔获物条件下的网具形态试验研究，分析了磷虾拖网网口高度、网口面
9、积、整体形态及能耗系数的变化，并对比了网具形态理论计算值与实际值，以期为南极磷虾拖网形态优化及提高其作业性能提供科学参考。1材料与方法1.1材料试验水槽:本试验在日本东京海洋大学循环动水槽进行，其主尺度为 22.0 m(长)8.5 m(宽)2.7 m(高)，侧面观测部位尺度为 9.0 m(长)2.2 m(宽)1.6 m(标准水深)，水槽底部设有 7.3 m1.5 m 的观察窗。水槽中的流速通过螺旋桨式流速计(东京计测技研株式会社)进行测定，范围为 10200 cm/s，精度为 2%。试验设备:张力测定由小型张力计(电子工业株式会社，型号为 A3064 和 A3065)完成，量程分别为 10、5
10、 kg，测量误差为1%FS。1.2方法1.2.1模型网制作原型网为中国南极磷虾捕捞船“龙腾”轮作业使用的四片式磷虾拖网，主尺度为300 m132.8 m，网身长度为 88.8 m，网袖长度为 20 m，网囊长度为 30 m，网口处的网目尺寸为 400 mm，网囊网目尺寸为 144 mm。网身共11 节，从第 2 节开始装配网目尺寸为 16 mm 的内网。基于上述原型网参数，根据修正后的田内准则进行模型网设计制作。考虑到水槽的工作段尺度，模型网与钢索总长应小于 9 m，为了避免水槽两侧边界效应带来的影响，设定移动杆间距需小于1.8 m。最终确定模型网大尺度比=35，小尺度比=5。模型网主尺度为
11、8.848 m3.85 m，内网选取与原型网相同的聚酰胺(PA)为材料，网目尺寸为 10 mm，同样从网身第 2 节处装配至网囊。鉴于原型网外网的网线材料(PE)质地较硬，制作出的模型网展开效果较差，故采用质地柔软的迪尼玛(Dyneema)进行模型网制作，详细参数见图 1。图 1南极磷虾拖网模型网及内网Fig.1Model net of Antarctic krill trawl including liner根据修正后的田内准则16，模型网和实物网的换算过程如下。1)大尺度比(实物网与模型网网具拉直长度或网口周长比)。计算公式为=LF/LM。(1)其中:为大尺度比，=35;LF为实物网拉直长
12、度(m);LM为模型网拉直长度(m)。2)小尺度比(实物网与模型网网线直径和网目目脚比值)。计算公式为=aF/aM=dF/dM。(2)其中:为小尺度比，=5;aF、aM分别为实物网、模型网目脚长度(mm);dF、dM分别为实物网、模型网网线直径(mm)。233大连海洋大学学报第 38 卷3)速度比。计算公式为vFvM=n+1sFFsMMMF()12n。(3)其中:vF、vM分别为实物网与模型网的运行速度(m/s);sF、sM分别为实物网与模型网的网线密度(g/cm3);F、M分别为实测时海水密度与水槽试验时水的密度(g/cm3)。根据修正后的田内准则，n取0.15;sF选取聚乙烯材料，密度为0
13、.96 g/cm3;sM选取迪尼玛材料，密度为 0.97 g/cm3;F=1.03 g/cm3(20);M=1 g/cm3(4)。4)力比(阻力、浮力和沉力比)。计算公式为FFFM=2sFFsMM。(4)其中:FF、FM分别表示实物网与模型网的受力(kN)(阻力、浮力和沉力均可用此表示)。1.2.2试验参数及流程试验中水平扩张比的改变通过调节移动杆间距实现，结合磷虾拖网实际作业时拖速和网口扩张情况17，将移动杆间距设置在 0.6 1.8 m，共设置 5 个水平，分别为 0.6、0.9、1.2、1.5、1.8 m，则水平扩张比 L/S 分别为0.17、0.27、0.35、0.45、0.53(表
14、1)。由于南极磷虾拖网作业时拖速一般在 3.0 kn 左右，根据速度比换算和水槽试验条件，本研究中设定 5 组模型网拖速 v 分别为 30、36、43、49、60 cm/s。表 1网具袖端水平扩张设置Tab.1Horizontal opening of net wing end水平扩张比(L/S)horizontalopening ratio下纲长度(S)/mleadlinelength袖端水平扩张(L)/mhorizontal openingof wing end移动杆间距(W)/mmastdistance0.171.590.280.60.271.590.440.90.351.590.561
15、.20.451.590.721.50.531.590.841.8将模型网置于水槽中，通过调整水平扩张比、水流速度及渔获物存在状态，实现不同工况条件下拖网模型形态及阻力的测定。以注水乒乓球作为模拟渔获物，共计 50 个，质量为 1.68 kg。模型网形态变化由安装在水槽底部和侧部的摄像机拍照获取，两台摄像机可分别获得网具俯视和侧视形态，由此可绘制网具形态的空间数据。在此基础上，计算出网口形状变化。模型网阻力通过布置在移动杆处的张力计测量获得，数据采集频率为20 Hz，时间为 20 s，共 400 组数据。具体试验装置见图 2。图 2试验设置示意图Fig.2Schematic diagram of
16、 experimental design1.2.3网口面积及能耗系数的测定与计算拖网在曳行过程中，网口近似呈椭圆形，为方便计算网口面积，假定网口形状为椭圆形。1)网口实际面积。计算公式为S=(1/4)ab。(5)其中:S 为模型网网口实际面积(m2);a 为模型网网口实际高度(m);b 为模型网网口实际水平扩张(m)。2)网口理论面积。网口拉直周长和缩结系数之积为网口理论周长，利用椭圆周长公式，结合网口理论周长和网口实际高度计算得出网口理论水平扩张，再根据椭圆面积公式计算得到网口理论面积18。计算公式为l=E L，(6)B=l2/22 a2，(7)S=(1/4)aB。(8)其中:l 为模型网网口理论周长(m)，l=4.48 m;E 为缩结系数;L 为模型网网口拉直周长(m);B为模型网网口理论水平扩张长度(m);a 为模型网网口实际高度(m);S为模型网网口理论面积(m2)。3)网具阻力及能耗系数。阻力由移动杆上的张力计测得。能耗系数计算公式为Ce=3.472 F/(H L)。(9)其中:Ce为 实 物 网 在 某 一 拖 速 下 的 能 耗 系 数(kWh/104m3);F 为实物网
