大型中层拖网结构试验

周爱忠， 张 禹， 齐广瑞， 王 磊， 张天舒， 孙 康， 冯卫东， 张荣军， 吕昊元

(1.农业部海洋与河口渔业重点开放实验室，中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090; 2.中国水产有限公司, 北京 100160)

20世纪80年代起，我国开始从国外引进大型中层拖网渔船，经30年左右的发展，目前已形成一定规模的大型中层拖网船队[1]。初期所使用的网具一般随船引入，受制于自主设计能力和制作水平、网具材料等因素，迄今为止，我国大型中层拖网的国产化水平不高，多数仍从国外直接进口[2]。

目前，我国使用的大型中层拖网主要为四片式结构，网袖和网身第一节网目普遍为菱形网目或六角形网目[3-5]。绳索拖网是大网目拖网发展演变的产物，其特点是用一系列纵向绳索来代替拖网网袖和网身第一段，国内外对其的研究表明，对减小网具阻力有良好的效果，但比起网目结构的网具，操作更加困难，实际使用的不多[6-7]。近年，一种具有绳索和网目相结合特点的大型中层拖网网头结构引起拖网设计人员的注意，其网袖和网身前部力的传递类似于绳索拖网，而又有网目结构型式，其水动力性能与绳索拖网相当。国内对菱形和六角形网目结构的中层拖网的研究报告较多[8-10],但尚没有此种新型网头结构大型中层拖网的研究报告。为研究此种网头结构型式，本文设计了网身长度、配纲长度和侧网宽度3种因素，各3种水平的正交试验，并利用SPSS软件分析3种试验因素在试验水平内变化对网具水动力影响的显著性，以期了解此种网具前部结构型式，寻找最优结构参数水平，提高网具的水动力性能，为自主设计大型中层拖网使用此种网具前部结构提供依据和参考。

1 材料与方法

1.1 因素水平

选取网身前部度(网身第一节目数)、网袖配纲长度、侧片宽度3个因素，按L9(34)正交表设计安排试验。其中网身长度改变为变化从网身普通菱形目起到中纲部位的整目数，分别为1目、2目、3目(对应的网具前部的拉紧长度分别为151 m、171 m、191 m)组成3个水平。网袖配纲长度改变时，保持中纲的结构和配纲长度不变，仅改变网袖的配纲长度，从中纲三拼口起，使网袖的每档配纲长度比前一档等长和各增加10%、20%，上、下纲的长度分别为133 m、143 m、153 m 3个水平，侧纲的长度也作同比例改变。侧网宽度改变时保持背、腹网原宽度，改变侧网宽度，分别为侧网与背网宽度1∶1、7∶8、3∶4 3个水平。所有试验的网身普通菱形网目段不作改变。正交试验因素水平见表1。

表1 正交试验因素水平表

网具前部为四片式，按表1所设计的各试验组的网头结构见示意图1，网身为8片式，示意见图2。

1.2 模型网

模型网根据SC/T 4011-1995《拖网模型水池试验方法》标准中渔具模型试验准则I[11]，按照表1所列的参数设计计算成9顶模型网。实物网网具前部采用超高分子量聚乙烯材料，网身部位采用高强度尼龙材料；为便于模型加工，试验模型网线材料全部为PE，网线直径为0.5 mm。模型网与原型网的比重有差异，会引起一定的实验误差，但拖网在高速拖曳时由此而引起的误差相当小[12],本文的试验结果和分析均忽略了此种误差。依据试验水池规格条件，取大尺度比λ为40，小尺度比λ′为9。按照SC/T 4014-1997《拖网模型制作方法》制作成模型网具[13]。

1.3 试验设备

拖网模型试验在东海水产研究所渔具模型试验静水池进行，水池规格为：90 m×6 m×3 m，水池北端设置消波器。拖车驱动电机功率为7.5 kW×4台，拖速范围0.1～4.0 m·s-1，配有微处理机调速系统，匀速精度P≤1%。光电测速仪精度为±0.01%。测力传感器量程为 200 N。网高测量为Diver®水位测深仪，各安装于上、下纲中央，距离分辨率10 mm。

1.4 试验方法

拖网模型实验网具的水平扩张一般以L/S(袖端间距比下纲长度)设定，由于本次试验网具的下纲长度不同，如设定L/S，会造成试验网具的袖端间距不同。为比较此不同对试验结果的可能影响，本次试验分别以L/S=0.45和3种固定的袖端间距(L=57 m、64 m、72 m)(试验网下纲长度中位数143 m分别与L/S=0.40、0.45、0.5的乘积，以下简称固定袖端间距)进行试验和分析。

本次试验没有安排重复试验，每组试验对应实物的拖速从1.80～2.83 m·s-1，共分五档，每档间隔：0.257 m·s-1(约0.5 kn)，模型试验采用塑料浮子配置浮力，实物浮力换算值为9.8 kN，全部配置于上中纲。沉力为铁链，水中重9.3 kN，沿下纲均布；重锤重力1.6 kN，左右袖端各1个，空纲长度160 m。读取网具的阻力和网口高度，(固定的袖端间距时取3种固定袖端间距各试验拖速下所测阻力的平均值和网口高度的平均值)。用幂函数对数据进行回归处理，计算实物网的相应值。假如阻力回归相关系数R<0.99或网口高度回归相关系数R<0.98，则重新测试此组数据。

图1 各试验组网头部位示意Fig.1 The drawing fore part of nets

图2 试验组网身部位示意Fig.2 The drawing of the body nets

1.5 数据处理

实物网受力与模型网受力的力学比例关系为：

Fsj=Fmx×λ2×λ’

(1)

式(1)中，Fsj为实物的计算阻力，kN；Fmx为模型的阻力，kN；λ为大尺度比；λ’为小尺度比。

实物网网口高度由模型网网口高度与大尺度相乘得到。

对3种水平扩张同拖速下的阻力和网口高度的实物回归计算数据进行算术平均，所得到的值作为该试验组的阻力和网口高度。

实物网的能耗系数计算公式为：

Ce=Fsj×3.472/HsjLxs

(2)

式(2)中，Ce实物在某个设定拖速下的能耗系数，kW·h·10-4·m-3；Fsj实物在设定拖速下的阻力，kN；Hsj实物网在该拖速下的网口高度，m；Lxs实物网的袖端水平扩张，m。

应用SPSS 19.0数据分析软件对考察指标进行方差分析，分析中只考察主效应，不涉及交互效应的分析。

2 结果与分析

2.1 各试验组的阻力

图3是各试验组在不同拖速时固定袖端间距下阻力平均值的曲线变化。由图3可见，在拖速为2.57 m·s-1时，试验组2的阻力最低(194.43 kN)，而试验组8的阻力最高(215.28 kN)，两者相差20.85 kN。图4是水平扩张L/S=0.45时各试验组的阻力变化趋势图，各试验网阻力的高低排列和固定袖端间距下的阻力总体相差不大。在拖速为2.57 m·s-1时，试验组2的阻力同样最低(192.85 kN)，最高阻力为试验组9(217.95 kN)，但与次高试验组8的阻力(216.16 kN)相差不大，最高与最低阻力组之间的差为25.10kN。

图3 水平扩张固定时各试验组的阻力平均值变化趋势图Fig. 3 The changes of average resistance and trend chart when horizontal expansion is fixed

图4 水平扩张L/S=0.45时各试验组的阻力变化趋势图Fig. 4 The changes of average resistance and trend chart when horizontal expansion is L/S=0.45

2.2 各试验组的网口高度

图5和图6分别是固定袖端间距和水平扩张L/S=0.45时各试验组不同拖速下的网口高度变化趋势，由图5可见，在拖速为2.57 m·s-1时，试验组1的网口高度最低(22.74 m)。而试验组5的网口高度最高(39.42 m)，两者相差16.68 m。由图6可见，在拖速为2.57 m·s-1时，试验组1的网口高度最低(23.89 m)。而试验组5的网口高度最高(39.40 m)，两者相差15.51 m。

2.3 考察因素的值和方差分析

拖网是一种过滤性渔具，考察其水动力性能目前主要有能耗系数和水动力系数[14,15]，本文以能耗系数考察网具的水动力性能。中层拖网的设计中，拖速是保证渔获效率的重要因素，本试验为了获得阻力和网口高度曲线进行了多种拖速下的试验，但仅选取中层拖网作业时最常用拖速2.06m.s-1和2.57 m.s-1下网具阻力、网口高度、能耗系数各考察因素的实物网计算值作分析。表2、表3分别是水平扩张固定和L/S=0.45时各试验组考察因素的值。

图5 水平扩张固定时各试验组的网口高度平均值变化趋势图Fig.5 The changes of net opening and trend chart when horizontal expansion is fixed

图6 水平扩张L/S=0.45时各试验组的阻力变化趋势图Fig.6 The changes of net opening and trend chart when horizontal expansion is L/S=0.45

2.3.1 对阻力的方差分析

当袖端间距固定、拖速为2.06 m·s-1时，在试验水平下，3种试验因素对阻力的影响均为不显著(P=0.536、0.609、0.829)。三者的主次顺序为A(网头长度)>B(配纲长度)> C(侧片宽度)，各因素水平下阻力的大小顺序分别是：A3>A2>A1，B3>B2>B1，C2>C1>C3。拖速为2.57 m·s-1时，3种因素的显著性与拖速为2.06 m·s-1时相同(P=0.542、0.867、0.762)、三者的主次顺序相同，各因素水平下阻力的大小顺序分别是：A3>A2>A1，B3>B1>B2，C2>C1>C3。

当水平扩张同为L/S=0.45、拖速为2.06 m·s-1时，3种试验因素对阻力的影响均为不显著(P=0.460、0.228、0.809)，三者的主次顺序为B > A > C，各因素水平下阻力的大小顺序分别是：A3>A2>A1，B3>B2>B1，C2>C1>C3。拖速为2.57 m·s-1时，3种因素的显著性、三者的主次顺序和各因素水平下阻力的大小顺序与V=2.06 m·s-1时相同(P=0.398、P=0.229、P=0.614)。

表2 水平扩张固定时各试验组考察因素的值

表3 水平扩张L/S=0.45时各试验组考察因素的值

2.3.2 对网口高度的方差分析

当水平扩张为固定袖端间距、拖速为2.06 m·s-1时，3种试验因素对网口高度的影响为B因素影响显著(P=0.017<0.05)，A、C因素不显著(P=0.097、0.448)，三者的主次顺序为B > A > C，各因素水平下的大小顺序分别是：A2>A3>A1，B3>B2>B1，C2>C3>C1。拖速为2.57 m·s-1时，3种因素的显著性则均为不显著(P=0.218、0.064、0.939)，主次顺序和各因素水平下网口高度大小顺序与拖速为2.06 m·s-1时相同。

当水平扩张为保持L/S=0.45、拖速为2.06 m·s-1时，3种试验因素对网口高度的影响为B因素影响显著(P=0.039)，A、C因素不显著(P=0.143、 0.537)，三者的主次顺序为B> A >C，各因素水平下的大小顺序分别是：A3>A2>A1，B3>B2>B1，C2>C1>C3。拖速为2.57 m·s-1时，3种因素对网口高度的影响均为不显著(P=0.325、 0.149、 0.973)，其主次顺序是B>C>A。各因素水平下的大小顺序分别是：A2>A3>A1，B2>B3>B1，C2>C3>C1。

2.3.3 对能耗系数的方差分析

当水平扩张为袖端间距固定、拖速为2.06 m·s-1时，3种试验因素对能耗系数的影响均为不显著(P=0.410、0.065、 0.606)，三者的主次顺序为B > A > C，各因素水平下能耗系数的大小顺序分别是：A1>A3>A2，B1>B3>B2，C1>C3>C2。拖速为2.57 m·s-1时，3种因素的显著性和其主次顺序与V=2.06 m·s-1时相同 (P=0.339、0.074、 0.794)。各因素水平下能耗系数的大小顺序分别是：A1>A3>A2，B1>B2>B3，C1>C2>C3。

当水平扩张同为L/S=0.45、拖速为2.06 m·s-1时，3种试验因素对能耗系数的影响均为不显著(P=0.547、0.076、0.772)，三者的主次顺序为C> A > B，各因素水平下能耗系数的大小顺序分别是：A1>A2>A3，B1>B2>B3，C1>C3>C2。拖速为2.57 m·s-1时，3种因素的显著性、主次顺序与V=2.06m·s-1时相同(P=0.518、0.125、 0.924)。各因素水平下能耗系数的大小顺序分别是：A1>A3>A2，B1>B3>B2，C1>C2>C3。

3 讨论

通过模型试验，可观察到具有绳索拖网和网目结构相结合特点的中层拖网，构成网具前部主要受力的纵向绳索，在斜向绳索的定位下结构更稳定。网具前部在水中的扩张良好，推广使用时如对受力的纵向绳索和固定位置的斜向绳索的强度适当配置，可使网具在具有较好强度的同时降低材料消耗和网具阻力，比普通的网目型拖网，发挥出水动力性能的优势。同时，网头的结构较六角形网目形式简单，便于网具的加工和修理。

3.1 最佳网身长度和最佳身周比

试验改变网具前部的长度实际改变了网身第一节部分的长度，从理论上来看，增加网身长度，扩大了网身部分的阻力面积(线面积)，可引起阻力的上升[14]。有文献资料认为，当拖网网口周长一定，网身长度改变时，网口高度和网具阻力均无明显变化[15]。本试验增加网身第一节的目数对网具阻力、网口高度、能耗系数的影响不显著。引起网具阻力略微上升与对网身长度变化的系列模型试验的试验结果吻合[16,17]。从网口高度和能耗系数的方差分析来看，此种新型结构网具前部的长度为171 m时最优。试验网具的网口周长约1 200 m，以此计算，网具的最佳身周比约为0.149，略大于大网目底层拖网的试验结果。

3.2 最佳的网袖配纲配置

早期的大型中层拖网的上、下纲的配纲较简单，通过模型试验可观察到纲索较明显的转折，局部受力较大的现象。大型中层拖网作业时理想状态为上、下纲的形状呈抛物线形或悬链线形[18]，本次试验的网袖部分配纲沿靠近中纲部分向袖端每档加长5%～10%，通过模型试验观察，上、下纲形状更加接近悬链线形。边纲各目脚采用等距装配的能耗系数最大，而采用边纲逐段加长5%和10%水平网口高度高，能耗系数相对较小，比每档等距配置改善了上、下纲的受力，从而提升网具的性能。在渔船拖力足够时，采用153 m上、下纲长度的配置为最佳。

3.3 最佳侧网宽度和背、腹网宽度比

对四片式中层拖网的研究认为，侧网宽度与背、腹网宽度比值的选择范围为0.7～0. 85[19]。本试验显示侧网宽度的变化对网具 阻力、网口高度、能耗系数的影响均不显著。模型试验时对网口形状观察显示，在试验的浮、沉力配置下，在低拖速时，侧网宽度与背、腹网宽度相等时网口形状接近圆形，但当达到作业所要求的拖速时，网口形状为椭圆形，侧网宽度与背、腹网等宽度时侧网片未能有效伸展，网衣在侧网中纲部位冗余，拖速越高越明显。从网口高度方差分析来看，侧网宽度与背、腹网宽度之比7∶8为最优水平。从能耗系数来看，低拖速时7∶8为最优水平，而高拖速时则3∶4最优综合以上，考虑大型中层拖网的常用作业拖速，最佳侧网与背网宽度之比为3∶4。

3.4 试验的局限

本次试验的水平扩张为固定袖端间距和L/S=0.45，结果对比表明对试验因素的显著性和主次性虽没有显著差异，但仍对水平间的排列产生了一定的影响，在上、下纲长度变化时如何设定水平扩张以比较网具的性能有待进一步研究。另外，试验所得结果为有限的试验次数所得，可能存在一定的局限性。此种网头的优势和工艺也有待研究和实践。

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