高海况漂浮物打捞网具的研究试验

林礼群， 谌志新， 刘 平， 徐志强

(农业部渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)



高海况漂浮物打捞网具的研究试验

林礼群， 谌志新， 刘 平， 徐志强

(农业部渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

为在高海况下安全打捞落水人员和重要的漂浮物，设计了一种打捞网具。为此研究了打捞过程中船舶行进速度、网口高度、打捞物体吃水深度等参数对打捞网性能影响；通过网具模型试验，模拟网具打捞作业，测试网具在打捞体进网前后力的变化，分析了打捞物体吃水深度与进网匹配性、进网的拖网速度以及网具受到的最大撞击力等。结果显示，试验用打捞体的进网条件受其吃水深度和网具拖速的影响较大。在打捞体吃水深度一定时，打捞体可在拖速≥2.5 kn时顺利进入网内；但当拖速过大，网口垂直扩张系数越小，不利于进网。试验范围内的最大撞击力随着拖速的提高而增大，最大值为27.84 kN。研究表明，网具最大撞击力的参数值对网线材料的选择与强度设计、网具支撑拦截臂架的结构强度计算具有指导意义。

高海况；打捞网具；模型试验；拖网速度；最大撞击力

随着水上运输、海洋油气工程及海洋捕捞业、养殖业等日益发展，海上装备、人员数量和密度不断加大，救助打捞装备为海上生命、财产、环境救助、沉船沉物打捞以及其他对海上运输和海上资源开发等提供安全保障[1]。目前，对于海上漂浮物只能进行近距离打捞，或在低海况条件下通过辅助工作船进行打捞[2]。但在高海况(是指风力作用下的海面外貌特征，用海况等级表标志，即0～9级，等级越高，海况就越高，高海况一般要求大于4级以上)条件下，打捞工作相当危险，甚至无法进行打捞作业。这对一些需要及时打捞上船的物体，比如落水人员、影响海洋环境的物体或对物主有重要价值的物体，就会因延误最佳打捞时机或遗失打捞物而造成重大损失。

在高海况条件下，使用打捞设备打捞落水人员或重要漂浮物品时，一般要求在打捞过程中被打捞物体严禁与打捞船船体发生硬性碰撞，以免破坏重要物品或威胁被救助人员的生命安全。本文研究的漂浮物打捞设备[2]，其原理是利用海洋渔业臂架式浮拖网技术方法，以专业救助船为母船，采用舷侧拖曳柔性网对物体进行打捞[3-5]。其中的打捞网具作为船舶打捞救助过程中建立船舶与被打捞物体的一种柔性连接载体，其性能对打捞设备系统的安全可靠性具有重要意义。目前国内外关于高海况打捞网具的研究很少，本文主要借鉴捕捞学中渔具的研究方法对打捞网具进行研究[6-12]。为研究打捞过程中船舶行进速度、网口高度、打捞物体吃水深度等参数对打捞网具性能的影响，通过网具模型试验，分析被打捞物体吃水深度与进网匹配性、进网的拖网速度条件以及网具受到的最大撞击力等，试验结果可对打捞网具的设计和改进提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 网具及其模型

实物网为高海况漂浮物打捞网具(图1)[2]。该网具在4～6级海况条件下沉重强度为3.3 t，其规格为30.4 m×31.3 m，网口目数76目，网口网目尺寸400 m，网衣为尼龙材料(PA)，上纲长度34.4 m，下纲长度31.8 m，网衣拉直长度31.3 m。模型换算采用田内相似准则[14]。模型网按相关方法[15-16]换算、制成。模型网的大尺度比λ=4，小尺度比λ′=3，网口目数56目，网口网目尺寸134 mm，网衣材料PA。

图1 打捞网结构示意图Fig.1 The schematic of fishing net

1.2 仪器设备

试验在中国水产科学研究院东海水产研究所渔具模型试验水池内进行。静水池主尺度为90 m(长) × 6 m(宽) × 3 m(深)。轨道拖车模拟打捞船体，其拖车速度精度为v≥2 m/s时，相对精度为P≤1%，可实现无级变速；测力传感器：量程500 N，非线性误差0.04%FSC；网高仪距离分辨率10 mm。试验打捞模型外形为钟形，主要尺寸：高0.6 m，最大直径0.55 m，可通过改变打捞模型舱体配重调整其吃水深度。

1.3 试验方法

试验条件见表1，表中数据均为实物换算值。试验共分成2组，试验组A测试网具阻力和网口高度试验；试验组B模拟网具打捞作业试验，测试网具进网前后力的变化。试验模型网具试验组在0.5～4.5 kn，每隔0.5 kn取一档，共分为9档速度。每组试验有效重复3次，并对拖曳实验数据进行观察分析和记录，通过测定模型网的水动力性能，再换算为实物网在不同条件下的受力情况与网形变化。

表1 打捞网试验条件Tab.1 Fishing nets experimental conditions

注：Ld—短袖端拖曳点距水面，m；Lz—短袖端曳纲长，m

1.4 实物与模型试验数据的换算关系

实物网阻力Fs与模型网实验阻力Fm的比例关系[15]：

Fs=1 000×Fmλ2λ′

(1)

式中：Fs—实物网在该拖速下的计算阻力，kN；Fm—模型网在该拖速下的计算阻力，N；λ—模型网大尺度比；λ′—模型网虚拟小尺度比。

通过公式计算出实物网具总阻力，根据模型网网口高度与拖速的回归公式计算出实物网在不同拖速下的实际网口高度。实物网的垂直扩张系数计算公式[12,17-18]：

Ch= (Hs/Cs)×100%

(2)

式中：Ch—实物网在某设定拖速下的垂直扩张系数，%；Hs—实物网在该速度下的计算网口高度，m；Cs—实物网口拉紧周长，m。

2 结果与分析

2.1 不同拖速下的网具阻力和网口高度变化

在试验组A的试验中，通过观察，发现网型展开良好，网身线形顺畅，由于拖曳点较低，网袖无明显离水现象。所测得模型网具阻力(Fm)、网口高度(Hm)，袖端水平扩张距离(Lw)与拖速(vm)关系数据见表2。经公式(1)、(2)换算得到实物网具阻力(Fs)、网口高度(Hs)、袖端水平扩张距离(Ls)与垂直扩张系数(Ch)试验数据见表3。网具的阻力(Fs)、网口高度(Hs)与速度(vs)回归后关系如图2所示。从图2中可以看出，当拖速增加，网具阻力指数增大，网口高度指数减小。袖端水平扩张距离(Lw)不变，同一个网具的垂直扩张系数随着拖速变化情况与网口高度随拖速变化情况相一致，当拖速为 1.0 kn 时，实物网垂直扩张系数达到最大(19.01%)，网口高度随着拖速增加而减小，当拖速达到 5.5 kn时，实物网具的垂直扩张系数最小(5.53%)。

表2 模型网具阻力和网口高度试验数据Tab.2 The drag and net port height experimental data of the fishing net

表3 实物网具换算值Tab.3 Experimental data scaled value of the net prototype

图2 阻力、网口高度与拖速变化关系曲线Fig.2 Relationship curve of resistance and net opening & speed

2.2 物体进网与速度关系

试验组B开始试验时，打捞体吃水较深(0.4 m)，模型网具试验组在0.5～4.5 kn，每档0.5 kn共分为9档的拖速下，打捞体均卡在上纲上，没有进网。经调整打捞体吃水深度，为0.2 m，打捞体可在拖速≥2.5 kn时进入网内，在试验拖速范围内，没有出现从上纲上面滑出的现象。各拖速下模型网具与打捞体模型接触前后阻力的变化曲线如图3所示。图中共记录了8组力值变化，每组速度增加0.5 kn，其横坐标为试验记录时间，每秒记录点数为2 500个，纵坐标为打捞体进网前后测得的阻力变化值。当拖速<2.5 kn时，打捞体模型没有入网，随着上纲一起向前；当拖速≥2.5 kn时，打捞体均顺利入网。由图可见，物体与模型网具撞击时，力瞬间变大，产生峰值，且峰值随着拖速的增大而逐渐增大。从图3a～3c可看出，拖速1.0 kn时，模型网具短袖段和长袖段拉力值在进网前后几乎相等，随着拖速的增加，长袖端拉力明显大于短袖段的拉力值。图3d～3h显示了打捞体进网前后力的变化，打捞体进网前，网具长袖端的拉力明显大于短袖段的拉力，且其差值几乎保持恒定，而当打捞体进网后，长袖端与短袖段的拉力发生波动，但幅值变化小。

经换算得到实物网具最大撞击力试验数据(表4)，表中：Fd,max—短袖端瞬间最大力，kN；Fc,max—长袖端瞬间最大力，kN。在试验速度范围内，实物网具与打捞物体最大撞击力为27.84 kN。实际打捞过程中，如果拖速过大，会造成网具惯性过大，导致其与打捞物体碰撞力过大，不仅容易造成网具(或打捞物体)损坏，而且船速过快不易控制打捞体进网，造成漏网，影响打捞效率。因此，选择适当的速度范围有利于打捞物体，并且在该速度范围内，网具最大撞击力对网线材料选择与强度设计具有重要意义。

表4 实物撞击瞬间最大力Tab.4 The maximum force of the prototype object crash

3 讨论

在网具的性能研究中，网口高度是评价拖网性能的重要指标之一[19-20]。但是，对于不同吃水深度的同一个打捞对象，则有不同的要求。本研究中，在漂浮物吃水较深时，打捞网具无法打捞到漂浮物体，通过调整漂浮物的吃水深度到一定范围，才顺利打捞到模型漂浮物。而在实际打捞救助过程中，漂浮物的吃水深度不是由试验决定的，需要调节打捞网口高度、网具曳纲长度、吃水深度与入水角度等来确定。受时间和工艺等因素限制，目前只完成了1顶打捞网的水动力试验，模型试验的系统性有待进一步完善，如增加盖网、增加网具有效打捞宽度和网口高度等，可进一步提高进网概率。

图3 打捞体模型碰撞网具前后阻力的变化Fig.3 The force change caused by the salvage object model colliding with the fishing net

此外，由于水池试验条件的限制，无法模拟真实海况作用下海浪对打捞网具以及打捞体的作用，试验测试的数据和结果会产生一些偏差。今后将通过改变网具结构和大小以及网身宽度、长度、浮力调整等，模拟实际海浪条件进行全方位的模型试验，以设计出切实适合海上实际状况的漂浮物打捞网装备。

4 结论

以打捞重要的海上漂浮物为研究目标，围绕打捞体的形状与吃水深度，根据相似准则制作相应模型——打捞网具与模型漂浮物，通过进行打捞网具水池模型试验，模拟网具打捞漂浮物试验，测试网具进网前后力的变化，分析打捞物体吃水深度与进网匹配性、进网的速度条件以及网具受到的最大撞击力等。结果表明，打捞体的进网条件受其吃水深度和网具速度的影响较大；在打捞体吃水深度一定时，打捞体可在拖速≥2.5 kn时顺利进入网内；试验范围内的最大撞击力随拖速提高而增大。网具最大撞击力的参数值对网线材料选择与强度设计、网具支撑拦截臂架的结构强度计算具有指导意义。

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LIN Liqun,CHEN Zhixin,LIU Ping,XU Zhiqiang

(KeyLaboratoryofFisheryEquipmentandEngineering,MinistryofAgriculture,FisheryMachineryandInstrumentRestitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)

A kind of fishing net was designed for safe salvaging drowning person and important floats in high sea state.The influence of factors such as the ship speed,fishing net opening and the draft depth of the salvage object on the performance of the fishing net was studied.Model test and simulating salvage operation were conducted to test the change of net force before and after the floating salvage object getting into the net,analyze the salvage object draft depth and the match conditions of the salvage objects into the net,the trawl speed for the floating object getting into the net,and the maximum impact force on the fishing net.Results show that the condition of the salvage object getting into the net is largely affected by the salvage object draft depth and the trawl speed of the ship.At a certain draft depth,when the trawl speed is greater than or equal to 2.5Kn,the salvage object can successfully enter into the net.However,when the drag speed is too fast,the vertical expansion coefficient would become smaller and is not conducive to net entering.The maximum impact force increases with the increasing of the trawl speed within the range of the test speed,and the maximum value is 27.84kN.The study shows that,the value of maximum impact force plays a guiding role in material selection,strength design of the fishing net,and calculating the structural strength of the net crane boom.

high sea state; fishing net; model test; speed of the net; maximum impact force

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.011

2016-08-01

2016-09-27

国家科技支撑计划课题(2013BAD13B02)

林礼群(1988—)女，硕士，研究实习员，研究方向：海洋渔业装备。E-mail：linliqun@fimir.ac.cn

谌志新(1969—)，男，研究员，研究方向：海洋渔业装备，E-mail：chenzhixin@fmiri.ac.cn

S972.21

A

1007-9580(2016)05-057-05