拖網網具系統(tǒng)水彈性力學特性的數(shù)值模擬研究.pdf

1、海洋是人類的資源寶庫，海洋漁業(yè)為人類的生存和發(fā)展提供了豐富的營養(yǎng)，是人類重要的食物來源。拖網作為海洋漁業(yè)中最廣泛使用的捕撈技術，其產量占世界捕撈總量的百分之四十以上，重要程度不言而喻。拖網網具系統(tǒng)是拖網作業(yè)的重要部件，由拖網網衣、手綱、網板以及曳綱等組成，其性能對捕撈效率、拖網船能耗有著決定性的作用。因此，拖網網具系統(tǒng)的設計、優(yōu)化是海洋漁業(yè)研究中的熱點。
　　拖網網具在水中運動時受水流作用而表現(xiàn)出極大的柔性變形，此變形也會改變網具

2、所受的水動力，因此普遍認為拖網網具在水中的運動是一種水彈性力學行為。拖網網具水彈性力學特性主要表現(xiàn)為網具在水流中的受力與變形?，F(xiàn)有拖網網具系統(tǒng)水彈性力學特性的分析手段主要有三種:實物海試，模型試驗以及數(shù)值仿真。相較于其他兩種方法，數(shù)值仿真具有使用成本低、開發(fā)周期短、參數(shù)易調整、數(shù)據(jù)一致性高、結果受干擾小的特點，在拖網網具系統(tǒng)的設計、優(yōu)化中起到越來越重要的作用。然而，現(xiàn)有的拖網網具數(shù)值模擬技術還存在很多不足，最重要的一點就是其計算效率極低

3、，一頂網具進行一次數(shù)值試驗往往需要運算數(shù)天時間，嚴重限制了數(shù)值模擬技術在網具水彈性力學特性分析以及設計、優(yōu)化方面的應用。其次，由于其計算效率低，間接的限制了拖網網具數(shù)值模型向更復雜，更精確的方向發(fā)展。
　　為了克服拖網網具系統(tǒng)數(shù)學模型所存在的上述問題，并進一步提高系統(tǒng)模型的準確性，本文針對大型拖網網具系統(tǒng)水彈性力學特性的數(shù)值模擬方法開展了研究。論文首先給出了大型拖網網具系統(tǒng)結構建模的基本方法?；谒⒌木W具模型以及數(shù)值求解方法，

4、推導了網具系統(tǒng)的數(shù)值穩(wěn)定性判據(jù);并根據(jù)數(shù)值穩(wěn)定性判據(jù)，提出了提高網具仿真計算效率的優(yōu)化方法。通過優(yōu)化，可以提高拖網模型的計算效率40倍左右，而由于優(yōu)化引入的仿真結果的失真不超過2％。之后，本文使用流固耦合的方法進一步研究了拖網網具的水彈性力學特性，并將仿真結果與實驗數(shù)據(jù)進行了對比。結果表明，使用本文所提出的拖網網具流固耦合建模方法，仿真出的流場與網具水動力結果與實驗值之間的誤差在2％-6％之間，而計算速度較現(xiàn)有的方法快上百倍，特別適用于

5、網狀結構流固耦合的水彈性力學分析計算。為了使拖網系統(tǒng)模型在拖曳參數(shù)變化范圍較大時也能得到準確的結果，本文提出了拖網網板的六自由度建模方法，并使用海試數(shù)據(jù)對網板參數(shù)進行辨識。當在曳綱長度在200m-900m范圍內變化時，使用包含網板六自由度模型的拖網系統(tǒng)仿真結果與海試數(shù)據(jù)的最大偏差在5％左右。最后，在前文所建立的網具數(shù)學模型的基礎上，通過數(shù)值試驗的方法總結歸納了拖網網具的負載特性。
　　論文全文安排如下:
　　第1章介紹了拖網

6、網具系統(tǒng)的組成及其水彈性力學特性的研究方法，闡述了拖網網具系統(tǒng)水彈性力學特性數(shù)值模擬及相關內容的研究現(xiàn)狀，交代了本課題的研究背景，指出了本課題的研究意義，說明了本課題的主要研究內容。
　　第2章主要說明了使用集中質量法建立拖網網具系統(tǒng)結構模型的基本方法，給出了網片、目腳以及結節(jié)的水動力計算公式，推導了代表網具運動的集中質量點的運動方程。比較了網目合并方法對仿真精度的影響。
　　第3章通過對拖網網具數(shù)學模型計算發(fā)散的過程進行分

7、析，提出了基于網具集中質量模型基本單元的網具模型數(shù)值穩(wěn)定性分析方法。通過將網具模型的數(shù)值求解過程等效為一個離散系統(tǒng)，推導了網具模型的數(shù)值穩(wěn)定性判據(jù)，并據(jù)此進一步設計了網具模型的優(yōu)化方法，用于提高拖網網具模型的計算效率。
　　第4章建立了拖網網具與其周圍水流耦合作用的模型。網具周圍的流場使用有限體積法建模。在流場模型和網具模型的基礎上，提出了混合體積法用于將網具離散到流場模型的控制單元中，網具對流體的阻滯力通過牛頓第三定律直接將網具

8、水動力的反力表示在流場模型RANS方程的源項當中。為了驗證所建立模型的準確性，本章將仿真得到的網具水動力和流場分布結果與實驗數(shù)據(jù)進行了對比。
　　第5章介紹了拖網網板的六自由度建模方法。本章首先對網板模型的幾何參數(shù)以及參考坐標系進行了定義，在此基礎上給出了拖網網板工作角度與水動力系數(shù)的計算公式，并推導了網板的運動方程。文中網板的水動力系數(shù)表示為網板工作角度的函數(shù)，并通過最優(yōu)化算法辨識了網板的水動力系數(shù)與其工作角度間關系函數(shù)的系數(shù)。