拖网网板性能与国内外应用研究进展

王 磊，万 荣，余雯雯，朱文斌，张 勋，冯卫东

(1 上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2 中国水产科学研究院东海水产研究所，农业农村部远洋与极地渔业创新重点实验室，上海200090；3 浙江省海洋水产研究所，浙江 舟山316021；4 中国水产有限公司，北京100160)

拖网网板是应用于拖网渔具以扩张网口的重要渔具构件。网板水动力性能的研究目的在于优化网板的结构参数，提高网板的扩张性能，研究的方法主要是通过理论分析计算与模型试验等手段，获得网板的升力系数、阻力系数和力矩系数，以分析网板水动力性能的优劣。自20世纪中期，国内外的研究人员对网板水动力性能进行了广泛和深入的研究，研究主要聚焦于网板的型式结构差异对网板水动力性能的影响，探索网板水动力性能的研究理论与方法[1]。网板水动力性能的研究理论与试验研究已有丰富的研究基础，随着全球性渔业捕捞的发展，高性能渔具的设计与优化是提高渔具选择性和捕捞效率的重要技术，高性能网板的设计与研究也是当前国内外研究的主要方向。

文献计量分析是通过数学与统计方法来分析文献信息，以评价和预测某一学术领域的研究现状与发展趋势[2]。本文基于文献计量分析方法梳理了国内外拖网网板水动力性能及应用研究文献，总结了拖网网板研究进展，提出拖网网板的型式结构优化及生产应用研究的建议。

1 国内外网板研究概况文献计量分析

1.1 国际拖网网板性能研究概况

基于“web of science核心合集”数据库，以 “otter board”和“trawl door”为主题词，时间检索跨度为 2000年到 2019 年，进行文献检索，得到相关文献120篇(图1)。

其中，“Article”文献119篇，“review”文献1篇。由图1可见，2015年的年文献达到17篇，2015年之后5年内发表文献量占近20年文献量的40.8%，表明网板研究的关注度日益增加。

基于美国德雷塞尔大学(Drexel University)陈超美(Chaomei Chen)博士开发的 CiteSpace软件，将检索到的120篇文献数据通过可视的形式，分析关于网板研究的前沿和热点信息[3]。图2呈现出的是世界范围内网板研究文献所在国家的网络地域图谱，图中用“年轮(圆圈)”的大小和颜色反映某一国家论文发表的总量与发表时间，年轮半径与文献数量成正比，年轮的颜色表示文献发表时间(暖色表示趋于近期)。

从图2中可以看出，美国发表文献最多(30篇)，占总量的25%，其后依次是澳大利亚20篇、英国15篇(England,Scotland and Wales)、意大利11篇、西班牙11篇、丹麦9篇、挪威9篇、中国8篇、法国8篇和日本8篇。节点连线及粗细表示国家间合作文献及数量，连线的颜色表示该共现关系第一次发生的年份(暖色代表近年)。由图2可见，中国所在节点的年轮环主要为黄色(暖色)，表明中国近几年发表相关文献较多，从节点连线可以看出，中国与国外研究单位的研究合作较少。

关键词代表了文献涉及的领域和内容，通过对关键词的词共现网络分析，可以发现学科的研究热点。使用CiteSpace软件对文献关键词共现分析(图3)，图中的圆形节点表示关键词节点，其节点半径表示出现频次，频次高的关键词一般表示一段时间内该领域的研究热点和前沿；年轮的色环及环径表示不同时段出现频次，颜色从蓝色(冷色)到红色(暖色)的变化表示时间从早期到近期，节点若出现红色外圈，表示其被引频次曾经或仍在急剧增加[4]；节点之间的连线表示关键词共现关系，其粗细表明共现的次数，颜色对应节点第一次共现的时间，连线颜色的变化与节点年轮色环的变化趋势一致。由图3中可见，关键词共现频次最高的为“fishery”和“behavior”，其次研究的焦点为“disturbance”“impact”“bottom trawl”“efficiency”“design”和“otter board”，可见，关于网板的研究方向主要是在渔业(fishery)生产中，拖网作业(otter trawl，bottom trawl)对鱼类(fish)行为(behavior)和鱼类栖息地(habitat，benthic community)的影响(impact)和扰乱(disturbance)，并在拖网渔获物分析(catch，bycatch，bycatch reduction)的研究中考虑网板(otter board)的影响；在网板的设计(design)与性能(performance)方面，研究热点为水动力性能(hydrodynamic characteristics)、研究方法(CFD analysis，modeling，numerical simulation，flow visualization)和设计参数(cambered plate，angle)等。

1.2 国内网板性能研究概况

数据源选择中国学术期刊网(CNKI)全文数据库-期刊，选择“主题”，搜索 “拖网网板”以及“otter board”，时间不限。经筛选剔除，得到国内(第一作者单位在中国)发表期刊文献72篇(不包括会议论文等)，其中，研究类文献66篇，综述类文献6篇，对检索结果做文献计量分析。

由图4可见，关于拖网网板研究的论文在CNKI上最早见于1974年，2015年之后发表的拖网网板研究相关文献共计32篇，占总文献量的44.4%。可见，为适应中国渔业捕捞的发展及渔具的产业和技术需求，对网板性能的研究日益增多。

图5是关于国内拖网网板研究文献的关键词共现分析图谱，图5中节点及连线的特征说明与图3相同，以分析中国在拖网网板研究领域的主要内容和关注焦点。由图5可见，中国对于网板的研究注重于网板设计与网板性能的研究，如通过“模型试验”研究“拖网网板”的“水动力性能”，性能参数包括“网板”的“升力系数”“升阻比”“压力中心系数”和“倾角”等；采用“水槽试验”“风洞试验”“力学计算”和“数值模拟”等方法，研究网板的“影响因素”，如“展弦比”“叶板尺度”“导流板”和“导流翼”等；通过“理论分析”，研究“拖网作业”中网板的“拖越力”和“撞击力”；“模型试验”结合“配合计算”来分析“拖网系统”中“有效拖力与渔具匹配”关系。图5中可见，近年，对于网板“水槽试验”结合“数值模拟”来研究“流场可视化”的关注度较高。中国发表的外文期刊文献(图5右下英文区域)研究内容也多聚焦于采用数值模拟(numerical simulation)等方法来研究网板(otter board)的水动力性能(hydrodynamic characteristics)。与国外文献研究热点相比，国内较少关注网板拖网作业对于海洋生态系统及渔业资源的影响，如网板对于海底鱼类栖息地的影响等。

通过国内外关于拖网网板研究的文献计量分析，可以初步掌握世界各国在网板研究方面的研究动态，并呈现网板研究领域的前沿热点。综合而言，网板的设计及性能研究是国内外共同关注的热点，其研究思路都是基于拖网渔业需求，设计网板型式与结构参数(包括翼板弯度、翼板角度和缝口参数等)，通过模型试验(水槽模型试验、风洞试验)、数值模拟等手段开展网板的水动力性能研究，以达到优化网板性能的目的。以下将基于研究文献，针对研究热点内容从网板性能的影响因素和网板性能研究方法两个方面进行分析论述。

2 网板性能的影响因素

2.1 主体型式

拖网网板的型式多样，常见的主要有矩形V型网板、大展弦比网板和立式V型曲面网板等[5]，不同类型网板具有不同的性能特点，以满足不同的拖网作业要求。如矩形V型网板成本低、易维修，目前多用于近海的小型底拖网作业；大展弦比网板的升力系数较高，多用于中层拖网作业；立式V型曲面网板的水动力性能高、稳定性好，可以适应多种水层的拖网作业。不同型式的网板具备不同的结构和性能特点，如矩形V型网板的结构简单，水动力性能较差，但由于其稳定性较好，可以适应不同类型的海底拖网作业需求；大展弦比的扩张效率较高，但稳定性较差，易翻倒，因此多用于中层拖网作业；立式V型曲面网板水动力性能优异，但结构复杂，成本较高，在远洋大型拖网捕捞作业如南极磷虾拖网渔业多采用此类型网板。另外，相似型式的网板通过改变结构可以优化其水动力性能，如相比普通平面网板，双缝开口结构优化可提高扩张力18.7%以上[6]。网板翼板的形式结构也对网板水动力性能有直接影响，如王磊等[7]基于双开缝曲面网板开展了网板的导流板形状变化对性能的影响研究，试验表明，凸梯形导流板设计具有较高升阻比(图6)。

展弦比概念源于机翼理论，是影响网板性能的重要设计因素[7]。研究发现，网板展弦比的增加会造成网板背面的涡流区减小，阻力降低[8]，最大升力系数则是先变大后变小[9]。从稳定性的角度考虑，当展弦比过大时，更容易发生翻倒现象[10]。因此，底层拖网配备的网板多为小展弦比网板(展弦比小于1.20)，中层拖网网板多为展弦比较大的网板(展弦比2.0以上)，但目前使用的大展弦比网板的展弦比较少超过3.0。

2.2 翼板弯度

相比平面网板，曲面网板可以提高网板的扩张性能(升力系数)，但同时也会增加网板阻力，降低网板的升阻比[11]。不同型式结构的网板，翼板弯度的设计也会随之调整，以获得相对较优的水动力性能。如针对展弦比为1.5的立式曲面网板，翼板弯度为0.15时，升力系数超过1.6的冲角范围更大[12]；而对于双开缝曲面网板，导流板的弯度为0.12时具有较高的最大升阻比和最大升力系数，且稳定性也较好[13]；对于矩形V型曲面网板，导流板弯度为0.09时网板具有较高的水动力性能[5]。

2.3 翼板角度

网板的翼板根据功能可分为导流板和主面板。导流板引导网板前部流态，可改善网板背部的涡流效应以降低网板阻力，并影响网板失速角的变化[14]。翼板角度的设计方式可以包括导流板与主面板的角度，以及多翼板之间的交错角、多翼板尾部后端的后退角等，不同的角度设计对网板结构的影响较大，也直接关系网板水动力性能的变化，需要通过开展研究以获取较优的翼板角度组合。Wang等[15-17]通过系列风洞试验分别研究了导流板的组合角度、主面板的角度变化等，试验通过网板翼板的角度调整来优化网板的水动力性能。Fukuda等[18]针对双翼型结构网板开展了前后翼交错角变化对水动力性能影响的研究分析，试验针对前后翼的交错角设计了7组角度(0°～60°)，研究发现交错角的变化影响双翼型网板升力系数的变化，在交错角为30°时水动力性能最佳。王明彦等[19]基于立式V型曲面网板研究其上反角、后退角和展弦比的水动力性能变化，以升阻比为衡量指标，研究认为影响网板水动力性能的首要因素是上反角，其次是展弦比和后退角。

2.4 翼板缝口参数

网板通过在特定位置设计一定尺度的缝口，可适度降低网板阻力[20]。另外，为了提高网板的稳定性能，提高网板在复杂海床的作业能力，也可以通过网板开缝的方式调整网板的稳定性[18]，开缝式网板也是目前使用较多的一种网板型式。对于网板开缝与其水动力性能的影响关系，国内外学者都开展过研究，如刘健等[21]通过试验研究表明，相比单缝网板，双缝网板的最大升阻比较高。Park等[22]研究了单开缝网板的开缝宽度对其水动力性能的影响，结果表明，网板的开缝宽度为0.02C(C为网板弦长)时水动力性能较高，并利用CFD数值模拟进行了验证。王锦浩等[23]研究了矩形V型曲面网板的开缝位置及开缝宽度对网板水动力性能的影响，研究表明，开缝位置距网板前缘距离为0.28L(L为网板弦长)，开缝宽度为0.08 m的网板具有较高的水动力性能。

3 网板性能研究方法

3.1 理论计算

理论计算是网板设计研究的基础。网板设计离不开理论计算，从渔船与网板的拖力匹配计算，到网板的面积与重量设计、结构参数计算等[24]。通过模型试验等研究手段获得的网板水动力性能数据，需要通过理论计算来转化到实际网板的设计应用中去，以推算网板阻力与升力、曳纲长度及网板的侧倾状态等[25-26]。

理论计算方法不断发展，衍生出不同的算法和计算模型以应用于网板研究。如国外的学者利用离散元法(DEM)来分析研究网板实际作业中与海床之间的相互作用[27]；通过高精度计算流体动力学模型的算法，来分析多型式网板的水动力性能差异[28-29]。国内学者为了研究柔性网板的扩张性能，利用理论计算的方法为网板结构设计建立数值模型[30-31]。在算法研究方面，国外学者在网板性能计算理论系统的研究较为成熟，国内学者在其基础上，更注重结合实际与生产需求来构建网板的理论计算方法。

3.2 水槽模型试验

网板可作业于不同水层，其作业状态难以实时观测，其受力等性能数据也很难精确测量。网板水槽模型试验是按照一定的模型试验准则将实物网板缩小为网板模型，然后将模型安置于水槽中，通过连接的测力仪器获取网板模型在不同流速、不同冲角，或者模拟自然海底等情况下的受力数据，来获得网板的水动力性能参数，通过这种方法可以直观地观察网板的试验状态，为优化网板性能提供精确的水动力数据[32]。

试验水槽包括动水槽和静水槽。静水槽采用拖车带动模型模拟水流，网板模型试验通常与拖网模型试验匹配开展。动水槽即循环水槽，采用造流和稳流等设施来形成稳定流速，安装有固定的测力装置来连接试验模型，可以测量不同流速、不同冲角或倾角下的网板受力[33]。图7a是采用小型循环动水槽开展网板模型试验。国外的水槽试验设备较为完善，研究者可以利用水槽研究实物网板与海床的相互作用试验，并结合氢气泡发生观测网板的流态等[34]。随着国内试验设施条件的改善，对于网板水槽试验的研究也将更为准确和直观。

3.3 风洞模型试验

风洞是研究空气动力学的重要手段，可以开展飞行器、建筑、汽车等空气中的动力学性能研究试验。利用风洞试验开展网板的水动力性能研究，其方法理论是基于渔具力学模型试验准则，将水介质中的模型试验换算为空气介质试验，利用渔具模型试验田内准则的自动模型区理论，设计网板模型的尺寸与试验参数，研究网板的升力系数、阻力系数和压力中心系数等，以衡量与优化网板结构性能[35]。

网板的水动力性能研究类似于飞机机翼的动力学研究，基于飞机机翼升力等性能的研究方法，研究人员开发了网板的风洞试验方法，通过三分力或六分力测力仪器获得网板水动力性能数据(图7b)。国外如Patterson等[36]通过风洞试验研究网板模型的水动力性能，并与前期的理论计算结果进行对比验证，提出了翼端理论。中国也早在20世纪50年代就开始利用航空低速风洞开展网板的模型试验，并在网板结构优化与应用方面开展了系列的风洞试验，取得了良好的效果[37-38]。

3.4 网板CFD数值模拟及可视化研究

网板的水槽和风洞模型试验虽然可以较为精确地测量网板水动力性能数据，但从设计制作模型到试验的开展，费时较长且成本较高，另外，对于网板周围流场流态的研究，虽然水槽试验中可以通过线条法或者氢气泡法等手段进行网板表面流态的简略观测[39]，但却无法详细掌握网板周围的流态分布。网板周围流态可视化，可用于掌握网板的流态变化规律，分析网板流体力特性变化的原因，为网板的改进提供一种直观的手段。通过CFD数值模拟技术模拟网板周围的流场，可快速、精确地计算和模拟网板的水动力数据和流态分布，实现模型试验和CFD数值模拟技术的相互辅佐和验证[40-41]。

近几年对于CFD数值模拟网板性能研究的文献发表较多，主要是利用数值模拟方法开展各种结构网板的水动力性能模拟。在CFD数值模拟研究算法方面，国外有文献论述了通过优化算法、减少计算迭代次数，可提高运算的效率和准确性[42-43]。国内学者在网板的数值模拟研究方面主要集中于网板水动力性能的分析应用，在结构强度设计方面也已开展相关的数值模拟研究[44]。

4 讨论与展望

4.1 网板研究现状与分析

首先基于国内外的研究文献，利用文献地域分布、关键词共现分析等文件计量分析方法，掌握网板研究的国内外现状，并筛查网板研究领域的热点内容，然后针对网板性能的影响因素和研究方法展开分析论述。网板性能的影响因素选取了文献计量分析中4个热点因素，即网板的主体型式、翼板弯度、翼板角度和翼板缝口参数。分析认为，网板主体型式的设计选择是网板设计的基础，拖网作业与性能需求特点决定了网板主体型式，不同主体型式网板对于翼板弯度、翼板角度和缝口参数的设计也不相同，需要通过调整来优化网板的性能；网板性能的研究方法从理论计算、模型试验和CFD数值模拟进行论述，理论计算是网板性能研究分析的基础方法，通过水槽模型试验和风洞模型试验可以获取网板水动力性能的真实参数，而CFD数值模拟则提升了研究效率、节约了研究成本，几种方法各有特点，随着研究方法的多元化和试验设施条件改善，网板性能的研究也将更加深入和系统。

4.2 网板应用研究与发展方向

网板性能研究的目的是基于不同形式的拖网作业需求，设计匹配最佳性能的网板以提高拖网捕捞效率。如南极磷虾的捕捞特点是水层较浅、拖速较低、拖曳时间较短，需要网板具有质量轻、高扩张和易收放的性能特点，对此，研制了立式曲面中空式网板[45]和工程材料组合式网板[46]，降低了网板的质量，并具有较高的升力系数。高强度与功能性材料的研究应用为高性能网板的研制提供了技术基础，也将成为网板研究的一个重要方向。随着捕捞装备与智能化技术的发展，可通过远程控制系统使网板于作业状态中进行自身结构的主动性调整，甚或结合大数据分析，根据侦测鱼群信息进行结构扩张性能的自动调整，并匹配拖网实现海洋渔业的智能化捕捞。

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