高强度PA单丝拖网水槽试验研究

林 可， 倪 益， 雷 靖， 马家志， 胡夫祥， 宋伟华

(1 浙江海洋大学水产学院，浙江省海洋渔业装备技术研究重点试验室， 浙江 舟山 316022；2 日本东京海洋大学，日本 东京 1080075)

高强度PA单丝拖网水槽试验研究

林 可1， 倪 益1， 雷 靖1， 马家志1， 胡夫祥2， 宋伟华1

(1 浙江海洋大学水产学院，浙江省海洋渔业装备技术研究重点试验室， 浙江 舟山 316022；2 日本东京海洋大学，日本 东京 1080075)

强度相同条件下，聚酰胺(PA)单丝网衣的水阻力比聚乙烯(PE)捻线网衣的要小，所以在普通PE网衣拖网中，可以对部分网衣结构设计替换高强度PA单丝网衣，以降低拖网阻力，达到节能降耗的目的。以虾拖网为实物拖网，按照田内模型试验准则，设计改进型PA网衣的模型拖网，通过水槽模型试验，对比研究改进型PA网衣和传统PE网衣的拖网渔具性能和节能效果。试验结果显示，在相同拖速条件下，水平扩张比(L/S)为0.40、0.50、0.60时，改进型模型拖网比对照模型拖网所受阻力分别可降低12.14%、8.11%、6.00%，网口高度分别可提高20.00%、22.09%、25.64%，网口扩张系数分别可提高28.57%、27.27%、30.00%，能耗系数分别可减少30.61%、29.32%、29.18%。研究表明，高强度PA单丝网衣拖网能起到降低渔具阻力、提高拖网性能的作用，可在渔业生产中推广应用。

PA单丝拖网模型；水槽对比试验；水阻力；垂直扩张

拖网捕捞是海洋渔业中最为重要的作业方式之一，其对能源的消耗较大[1-3]。目前，可通过改良船舶性能[4-5]、替换使用新能源或提高燃油效率[6]、优化渔具结构和材料[7-9]等科技创新的研发，改变现有的拖网作业节能困境，实现渔业节能减排的目标。其中，材料优化技术的研发应用相对更方便，且更易于迅速推广。高强度纤维材料在拖网渔具中的应用较广。在国外，从20世纪80年代后期开始，荷兰DSM公司推出了商品名为Dyneema的超强聚乙烯纤维，其在中层拖网、浮拖网和桁杆拖网上取得了广泛应用[10]。在国内，石建高、王鲁明等[11-12]对渔用高强度聚乙烯材料、自增强聚乙烯单丝等材料的物理性能进行了一定的研究。

聚酰胺单丝(PA单丝)材料具有强度高、弹性好等优点[13]，虽然价格稍高于其他拖网渔具材料，但具有很好的应用潜力，是一种较为理想的渔具材料。PA单丝网衣相较于聚乙烯捻线(PE捻线)网衣的水阻力要小，用PA单丝网衣替换拖网中部分PE网衣，可以在不影响成本的前提下降低拖网渔具水阻力，对提高拖网渔具的水动力性能以及渔业的节能减排，都具有一定的现实意义[14]。本研究以虾拖网为实物拖网，设计制作改进型PA网衣的模型拖网，通过水槽模型试验，对比研究PA网衣拖网和传统PE网衣拖网渔具的节能效果，从而达到渔具性能优化的目的。

1 材料与方法

1.1 试验仪器设备

拖网模型水动力试验在浙江海洋大学渔具模型试验静水槽进行，水槽尺寸130.0 m×6.0 m×4.1m，配备有拖车1部，拖速0.1～6.5 m/s，精度0.1%；网高仪1台，测量范围0.3～5 m，测量精度(1±0.005)cm。同时配有测力系统、测速系统、动态数据分析系统等测试仪器设备。

1.2 实物网具及水槽模型网

1.2.1 实物拖网

实物拖网是福建省一种常见的虾拖网，这种网具相对于桁杆虾拖网以及其他捕捞小型鱼虾的渔具，具有操作简便、效益高的特点[15]。拖网规格为60 m×45 m×(25 m)。拖网网衣由网翼、网盖、网身和网囊组成，网线材料为PE。网身分为7段，从网袖到网囊，根据拖网受力变化，网线直径不断增加，网目大小不断减小，即网线规格从36 tex×8×3到36 tex×5×3不等，网目从80 mm到35 mm不等[16]。

1.2.2 高强度PA单丝网衣拖网

按照设计要求，PA网衣选用日本日网公司的材料。依据网衣强度性能等测试标准，经试验测定，PA网衣规格为：网线直径0.5 mm，网目30 mm，断裂强力528 N。在不影响原来拖网渔具强度的前提下，将原PE网衣中部分受应力较小的、与PA网衣规格相近的网衣改为PA网衣，制作成PA网衣改进型拖网。

1.2.3 模型拖网

模型拖网水槽试验符合田内模型试验准则[17]，设计制作PE网衣实物拖网的对照模型和PA网衣改进型拖网模型(表1)。

表1 实物网和模型网主要技术参数

大尺度比λ1=10，平均小尺度比λ2=2.7。两顶模型网均按照SC/T4014—1997标准，并依据实物网制作而成，网具规格、浮沉力的配备、纲索装配等参数均保持一致。两种模型的网具规格均为6 m×4.5 m×(2.5 m)。PE网衣由手工编制，PA网衣具有很好的强度和柔软性，能满足试验需求。

图1为对照拖网模型网具简图。经测定，网线直径0.5 mm手工编制的PE网衣网目断裂强力为263 N。网衣由上到下分为11段。

图1 对照拖网模型

改进型拖网网衣见图2。经测定，直径相近条件下，PA网衣的断裂强度是PE网衣的2倍，但考虑到在实际使用过程中，拖网的网腹部分常会与海底发生磨损，PE捻线具有更强的耐磨性，因而选择在拖网中受到阻力较小的网袖和网盖部分改为用PA网衣，网腹部分依然使用PE网衣。

图2 改进拖网模型

图2中粗线阴影为PA网衣替换部分。部分网衣结构替换设计如下：①网袖结构全部用PA网衣代替；②网盖结构全部用PA网衣代替；③网身结构中离网口较近的3节网衣，按照网衣张力逐渐增加规律，PA网衣替换比例分别为80%、60%、20%，其他部分网衣不替换；④各相邻节网衣间PA网衣的替换部分尽可能错开，拖网中与力纲装配的网衣承受更多的力，故PA网衣与力纲装配的网衣也错开设计。

在设计PA网衣替换PE网衣过程中，为了使对照拖网模型与改进型拖网模型有相同的网具结构，前者与后者的横向拉直长度与纵向拉直长度相同，使得两顶拖网模型有相同的形状和大小。

1.3 试验数据处理方法

1.3.1 垂直扩张系数CH

在拖网作业过程中，网口垂直方向扩张越大，代表拖网渔具具有更好的捕捞性能。网口的垂直扩张系数CH[9]一般指网口高度与网口周长的比，该系数越大代表拖网网口周长利用率越大，是比较拖网渔具性能的重要参数。CH计算公式：

CH=H/C

(1)

式中：H—网口高度，m；C—网口周长，m。

1.3.2 能耗系数Ce

能耗系数Ce[9]表示拖网滤过单位水体所消耗的能量。在拖网渔具作业过程中，Ce越小，表明拖网过滤相同体积的水体所消耗的能量更少。因此，Ce也是衡量网具优劣的指标之一。Ce计算公式：

Ce=3.472F/(HL)

(2)

式中：F—阻力，N；H—网口高度，m；L—网衣袖端的间距，m。

2 拖网模型水槽试验

2.1 试验内容

为比较两种模型网的性能，在不同拖速、不同水平扩张比(袖端间距与下纲长度的比，L/S)下进行模型水槽试验。分别测定对照拖网模型和改进型拖网模型的阻力与网口高度，研究在L/S下，速度与阻力、速度与网口高度变化规律，计算对比两张模型网衣的CH和Ce，分析改进型模型网的性能。

2.2 试验参数设计

虾拖网的拖速一般为1.28 m/s左右，根据田内模型试验准则，拖网模型的拖速为0.78 m/s。所以，试验选取实物网的拖速为0.33、0.58、0.82、1.02、1.28和1.49 m/s，其对应模型的拖速为0.20、0.35、0.50、0.62、0.78和0.90 m/s。同时，根据虾拖网的实际使用情况，将模型网具L/S设计为0.40、0.50、0.60三档。两顶模型网均按照田内模型试验标准进行数据处理。

2.3 试验布局

拖网模型试验过程中，模型网翼端间距通过水槽内可固定的拖剑间距调整获得。拖剑与模型网连接方法如图3所示。

图3 拖剑连接模型网示意图

曳纲、空纲和上纲可以看成一条载荷延索长均匀分布的悬链线，利用悬链线因素表[18]，在翼端间距L=1.87 m、2.38 m和2.74 m时，拖剑间距近似为3.5 m、4 m和4.5 m。由悬链线因素表可知，拖剑处拖力与拖行方向的夹角α分别为3.2°、4.4°和5.2°。

在试验过程中，先调整拖剑间距，再每隔5 min测量模型网不同拖速下的拖力和网口高度。一组数据测完后，再调整、测量下一组数据。每次测试前，必须使用与拖网网囊连接的一条拉线来调整网囊位置并达到平衡状态，以保证拖网左右两侧曳纲对称。

2.4 数据采集和处理

2.4.1 阻力数据的采集

通过使用设置在拖剑上两个型号为STC-25 kg的拉力传感器采集电信号，经过数据采集仪将数据保存在计算机DHDAS5920动态信号采集分析系统中，再进行观察截取其中较稳定的一段数据作为本文的分析对象，以保证测试数据的准确。传感器连接的曳纲所受力与拖行方向如图4所示，拖网模型左右对称，故左右曳纲与拖行方向的夹角都为α。因为模型在水槽中匀速运动，所以模型的拖力与阻力相等，故模型拖网阻力应为：

F=(F1+F2)cosα

(3)

式中：F—模型拖网阻力，N；F1、F2—左右传感器所测定的拖力，N；α—拖剑处拖力方向与拖行方向夹角。

图4 拖网模型受力示意图

2.4.2 网高数据的采集

使用水下测深仪进行网口高度数据的采集。通过测量发射器到水槽底端的垂直高度(拖网模型均为底拖网，下纲与水槽底端贴紧重合)以及发射器到上纲最高点的垂直高度，就可推算出网口高度。为了使测深仪更容易地测得数据，在对照网和模型改进型网的网口上纲中点都系结4个球型浮子，以增加接收的辐射面积。

3 结果与分析

3.1 阻力与速度的变化规律

随着L/S为0.40、0.50、0.60的变化，两顶模型网水阻力与拖速的关系对比情况如图5a、5b、5c所示。在不同L/S条件下，改进型网的水阻力与拖速的关系对比情况如图5d所示。

图5 对照网和改进型网在不同L/S下阻力与拖速的关系

图5分析。图5a：在水平扩张比L/S=0.40时，当拖速大于0.35 m/s时，对照网所受阻力显然要大于改进型网，且相差值越来越大，当拖速达到0.90 m/s时，两张网片所受阻力相差达到最大值，此时后者比前者少承受12.14%的阻力。图5b：在水平扩张比L/S=0.50时，当拖速大于0.50 m/s时，改进型网承受的阻力稍稍低于对照网，且相差值随着拖速的增加越来越大并在拖速0.78 m/s时，两张网片所受阻力相差达到最大值8.11%。当拖速大于0.78 m/s时，阻力相差逐渐缩小。在拖速为0.20 m/s时，对照网的网衣无法完全打开，故无法测得数据，究其原因，在低拖速、高L/S值情况下，拖网所受阻力过小，无法完全撑开网衣，所以当L/S=0.60时，只将拖速大于0.20 m/s时的数据作为研究对象。图5c：改进型网所受阻力稍大于对照网，并在拖速为0.90 m/s时相差值达到最大，此时改进型网所受阻力比对照网低6.00%。图5d：在不同L/S、相同拖速情况下，改进型网阻力相差不大，其中，L/S为0.50、0.60时，网衣所受阻力基本相等，但要稍大于0.40时的阻力。

3.2 网口高度H的变化规律

两顶模型网在相同的试验条件下，在L/S分别为0.40、0.50、0.60的条件下，网口高度与拖速关系如图6a、图6b、图6c所示。在不同L/S下改进型网网口高度与拖速关系如图6d所示。

与网片阻力研究相同，L/S为0.60，拖速为0.20 m/s时，对照网网衣没有完全打开，故不对其数据进行分析研究。另外，在高拖速0.90 m/s的情况下，水下探测仪的发射器杆受水流影响晃动剧烈，多次尝试仍然无法测量L/S为0.40和0.50的对照网网口高度，故未将该拖速下的数据作为研究网口高度、CH和Ce的依据。

图6 对照网和改进型网在不同L/S下网口高度与拖速的关系

图6分析。图6a：改进型网网口高度明显大于对照网网口高度，但相差逐渐减小，当拖速为0.20 m/s时，前者比后者提高20.00%，而拖速为0.78 m/s时，前者仅比后者提高9.24%。图6b：改进型网网口高度大于对照网网口高度，当拖速为0.62时相差达到最大，前者比后者高22.09%；在其他拖速下，前者比后者高17%左右。图6c：在拖速小于0.50 m/s时，改进型网网口高度稍大于对照网网口高度，当拖速大于0.50 m/s、小于0.78 m/s时，前者明显大于后者，并在0.62 m/s时相差达到最大，前者比后者高25.64%；当拖速为0.90 m/s时，两张网片的网口高度几乎一致。图6d：改进型网网口高度均随拖速增加而下降，L/S为0.50和0.40时，在试验拖速下网口高度几乎相同，但稍高于L/S为0.60时的网口高度。

3.3 垂直扩张系数的推算

改进型网和对照网在不同拖速的垂直扩张系数(CH)如图7所示。由图可知，在相同试验条件下，改进型网的CH均高于对照网。其中，在各种拖速条件下，当L/S为0.40时，前者的CH比后者的大16.67%～28.57%；当L/S为0.50时，前者的CH比后者的大11.76%～27.27%；当L/S为0.60时，前者的CH比后者的大10%～30%。

图7 对照网和改进型网在不同L/S下垂直扩张系数与拖速的关系

3.4 能耗系数的推算

改进型网和对照网的能耗系数(Ce)如图8所示。在相同试验条件下，前者明显低于后者。其中，在各种拖速条件下，当L/S为0.40时，前者比后者低18.31%～30.61%；当L/S为0.50时，前者比后者低18.86%～29.32%；当L/S为0.60时，前者比后者低19.49%～29.18%。

图8 对照网和改进型网在各L/S下能耗系数与拖速的关系

4 讨论

4.1 实物网性能换算

本研究中，在水平扩张比分别为0.40、0.50、0.60时，按照相似准则换算，对应极限拖速下实物改进型网水阻力的值分别为41 192 N、43 132 N、44 094 N，分别比实物对照网少承受5 651 N、1 934 N、2 636 N；对应的网口高度为8.3 m、8.2 m、7.7 m，分别比实物对照网提高了0.7 m、1.5 m、1.7 m；对应能耗系数的值分别为717、594、568，分别比实物对照网减少了161、196、203。从中发现，在拖网中应用PA网衣替换部分PE网衣，确实可以降低拖网在水中的阻力，提高网口高度和垂直扩张系数，降低能耗系数。但是，由于PA网衣替换较少，对照网和改进型网的上述4个参数的变化值不是很大。

4.2 改进型拖网推广的可行性

PA网衣替换部分拖网中受阻力较小的PE网衣，对拖网的成本影响较小，在不影响网片耐磨性的基础上，能够对拖网网具的性能有所提高。研究方向，拖网应用PA网衣替换时，所承受的阻力更小，网口扩张更大，在提高生产效率的同时也减少了生产能耗，符合当今渔业生产节能减排的改革方向，是一种值得推广的技术。

4.3 水槽试验有待于改进

本试验中仍有许多不足以及可以扩展的地方。试验选择的实物网是虾拖网，这种改进方法在其他拖网上的表现还不能判断，其试验结果有一定的局限性。需进行不同材料的试验，对这种改进方式进行更加全面的探讨。模型网设计过程中，PA网衣替换PE网衣面积较少，使得改进型网模型阻力减少不是很明显，在条件允许下可以在网身部分替换更多网衣。另外，本次试验研究主要是在水槽内完成，尚有待于在海上生产试验和推广应用。

5 结论

针对渔具节能减耗的发展要求，根据拖网渔具的结构特点，结合新型渔具材料的应用，设计并制作了改进型PA单丝拖网模型和原拖网对照模型。水槽对比试验结果显示，在相同拖速下，水平扩张比(L/S)为0.40、0.50、0.60时，改进型模型拖网比对照模型拖网所受阻力分别降低了12.14%、8.11%、6.00%，网口高度分别提高了20.00%、22.09%、25.64%，网口扩张系数分别提高了28.57%、27.27%、30.00%，能耗系数分别减少了30.61%、29.32%、29.18%。结果表明，改进型模型拖网与PE捻线拖网相比，能耗系数更小，且具有更高的网口系数，在生产作业时可以起到节能减排的作用，同时渔具性能也有明显提高，具有一定的推广价值。

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Flume experimental research on high-strength PA monofilament trawl

LIN Ke1,Ni Yi1,LEI Jing1,MA Jiazhi1,HU Fuxiang2,SONG Weihua1

(1FisheryCollegeofZhejiangOceanUniversity,KeyLaboratoryofMarineFisheryEquipmentandTechnologyofZhejiang,ZhejiangZhoushan316022,China;2TokyoMarineScienceUniversity,Tokyo1080075,Japan)

With the same strength grades,polyamide (PA) monofilament netting suffers less resistance than polyethylene (PE) twist wire netting in water,so some parts of PE twist wire trawl can be replaced by PA monofilament material in order to reduce resistance and save energy.In this paper,a shrimp trawl was selected,based on which a PE twist wire model trawl and a structure-modified PA monofilament model trawl were designed following Tauti model experiment standard and their performance and energy saving property were researched and compared by flume experiment.The experiment results showed that under same testing conditions,the properties of modified PA monofilament model trawl were better than PE twist wire model trawl.At the same speed,when theL/Sratios of the two model trawls were 0.40,0.50 and 0.60,compared with the PE twist wire model trawl,the resistance of modified PA monofilament model trawl decreased by 12.14%,8.11%,and 6.00%,net opening height raised by 20.00%,22.09% and 25.64%,vertical expand coefficient increased by 28.57%,27.27% and 30%,and the energy consumption coefficient decreased by 18.34%,24.81% and 26.23%,respectively.The research shows that high-strength PA monofilament trawl could reduce resistance suffered by fishing gears and improve their performances,and can be extended and applied in fishery practices.

polyamide monofilament model trawl;flume experiment;resistance;vertical expand coefficient

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.01.010

2016-10-28

2017-01-19

浙江省自然科学基金项目(LY14C190005，Q14C190005)；浙江省海洋渔业装备技术研究重点试验室资助项目 (MFET201406)；浙江省水产一流学科开放课题资助项目(20160021)；浙江省大学生科技创新活动计划(2016R411012)

林可(1993—)，男，硕士研究生，研究方向：渔具渔法。 E-mail：975526287@qq.com

宋伟华(1968—)，男，教授，研究方向：海洋渔业。 E-mail：whsong6806@163.com

S971.9

A

1007-9580(2017)01-051-07